Исследователи из Токийского университета (The University of Tokyo) в партнёрстве с учёными из Центра RIKEN CEMS обнародовали инновационную разновидность энергосберегающего запоминающего устройства, работающего на основе квантово-механических принципов. Смена состояний данного элемента базируется на передаче спин-орбитального момента электрона, а не на традиционном движении электронов (электрическом токе), благодаря чему память функционирует быстрее, потребляет минимальное количество энергии и практически не подвержена износу.
Источник изображения: The University of Tokyo
Похожий процесс наблюдается в магниторезистивной памяти MRAM. Более того, уже существуют опытные образцы STT-MRAM (Spin-transfer Torque MRAM), использующие тот же механизм переноса спин-орбитального момента электрона. Однако японские исследователи утверждают, что продвинулись ещё дальше, подобрав такие материалы, которые функционируют буквально на квантах энергии. Это практически исключает обычное протекание тока и связанные с ним хаотичные столкновения электронов с атомами кристаллической решётки, приводящие к нежелательному выделению тепла — одной из главных проблем современной электроники.
Таким чудо-материалом оказался антиферромагнетик станнид тримарганца (Mn3Sn, марганец плюс олово). Он относится к неколлинеарным антиферромагнетикам. Это означает, что атомы марганца в сплаве образуют уникальную «кагоме»-решётку (Kagome lattice), а их магнитные моменты ориентированы под углом 120° друг относительно друга (как показано на иллюстрации). При этом, в отличие от стандартных антиферромагнетиков, Mn3Sn проявляет гигантский аномальный эффект Холла — то есть ведёт себя как ферромагнетик, генерируя мощный направленный отклик на электрический ток, хотя его общая намагниченность близка к нулю. Благодаря этим свойствам материал быстро и интенсивно реагирует на спин-орбитальный момент, привнесённый электроном — для переключения ячейки из одного магнитного состояния в другое ему не требуются значительные токи.
Разработанный учёными прототип магнитного переключателя способен изменять своё логическое состояние всего за 40 пикосекунд, что примерно в 25 раз превосходит скорость лучших современных коммерческих SRAM- и DRAM-элементов, работающих в диапазоне единиц наносекунд. Однако ключевое преимущество этой разработки заключается в сочетании рекордной скорости с чрезвычайно низким энергопотреблением, что особенно актуально для будущих дата-центров и специализированных ИИ-ускорителей, где проблема отвода тепла становится главным препятствием для повышения производительности. Сверхкороткие управляющие импульсы длительностью 40 пс просто не дают элементу нагреться и рассеивать мощность в виде бесполезного тепла.
Кроме того, специалисты показали, что элемент обладает высокой стабильностью при циклическом переключении — это ключевое свойство для энергонезависимой памяти будущего. Заявленное количество циклов достигает 1012, что пока недоступно для современных решений в этой области.
Однако на этом «чудеса» не заканчиваются. Ещё одним значительным достижением проекта стала интеграция фотонных технологий в структуру элемента. Учёные доказали, что переключение возможно не только с помощью электрического импульса, но и за счёт 60-пикосекундных фототоков, которые создаются лазером стандартного телекоммуникационного диапазона (около 1550 нм) и фотоэлектрическим преобразователем. По сути, это демонстрация концепции прямого соединения оптических каналов передачи данных с магнитной памятью — без необходимости в громоздкой промежуточной КМОП-логике. Для дата-центров это имеет огромное значение: современные оптоволоконные магистрали уже работают в этом же диапазоне длин волн, поэтому такие элементы могут стать основой для сверхскоростной опто-спинтронной памяти, напрямую связанной с межсерверными каналами.
Практическая ценность работы выходит далеко за пределы лабораторного эксперимента. Если технологию удастся масштабировать до уровня интегральных схем, она может лечь в основу нового поколения вычислительных архитектур — энергонезависимых процессоров с практически мгновенным переключением состояний и минимальным энергопотреблением. Это особенно важно для задач искусственного интеллекта, периферийных и экзафлопсных вычислений, где затраты на охлаждение уже сопоставимы с затратами на сами вычисления. Фактически японские исследователи приблизили появление памяти, объединяющей скорость DRAM и энергонезависимость флеш-памяти — комбинации, которую индустрия пытается реализовать уже более двадцати лет.
