Робоча пам’ять на енергетичній дієті
Дослідники з Дрездена та Базеля заклали основи нової концепції мікросхем пам'яті. Він може споживати значно менше енергії, ніж попередні основні спогади - важливо не тільки для мобільних додатків, але і для центрів обробки даних.
Поширені в даний час суто електричні мікросхеми пам'яті мають вирішальний недолік: "Ці спогади є мінливими, тому їх стан потрібно постійно поновлювати", - пояснює Тобіас Косуб, перший автор дослідження та доктор медицини в Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). "А це споживає багато енергії".
Наслідки, серед іншого, відчуваються у великих центрах обробки даних: з одного боку, їхні рахунки за електроенергію зростають із збільшенням продуктивності. По-друге, чіпси нагріваються все більше і більше через споживання енергії. Центрам обробки даних стає все важче розсіювати це тепло, так що деякі хмарні оператори починають створювати свої комп'ютерні ферми в холодних регіонах.
Існує альтернатива електричним чіпам пам'яті: так звані MRAM зберігають свої дані магнітно, тому їх не потрібно постійно оновлювати. Однак для запису даних у пам'ять потрібні відносно великі струми, що знижує надійність: "Якщо в процесі запису або читання виникають несправності, вони загрожують занадто швидким зносом і поломкою", - говорить Косуб.
Електрична напруга замість електрики
Ось чому експерти вже давно працюють над альтернативами MRAM. Клас матеріалу, який називається магнітоелектричними антиферромагнетиками, видається особливо перспективним. Замість електрики вони активуються електричною напругою.
Проблема: "До цих матеріалів не можна отримати легкий доступ", - пояснює керівник групи HZDR д-р. Денис Макаров. «На них важко записати дані та прочитати їх знову». До цього часу вважалося, що ці магнітоелектричні антиферромагнетики можуть бути зчитувані лише побічно через феромагнетики, що, однак, заперечує багато переваг. Отже, мета - створити суто антиферомагнітну магнітоелектричну пам’ять (AF-MERAM).
Саме цього зараз досягли дослідницькі групи з Дрездена та Базеля. Вони розробили прототип AF-MERAM на основі тонкого шару оксиду хрому. Подібно наповненню сендвіча, він встановлений між двома тонкими нанометровими електродами. Якщо до цього прикласти напругу, оксид хрому перетворюється в інший магнітний стан - біт записаний.
Основна річ: достатньо напруги в кілька вольт. "Порівняно з іншими концепціями, нам вдалося зменшити напругу в 50 разів", - говорить Косуб. «Це дозволяє нам писати трохи, а компонент не споживає багато енергії та не нагрівається». Особливою проблемою була можливість знову прочитати записаний біт.
Для цього фізики нанесли тонкий нанометровий шар платини на оксид хрому (Cr2O3). Платина дозволяє читати за допомогою особливого електричного явища - аномального ефекту Холла. Фактичний сигнал дуже малий і накладається на перешкоди. "Але нам вдалося розробити метод, який придушує грози перешкодних сигналів і робить можливим доступ до корисного сигналу", - пояснює Макаров. "Це був справжній прорив".
Обмеження
Результати виглядають дуже багатообіцяючими, як оцінює професор Олівер Г. Шмідт з Інституту досліджень твердого тіла та матеріалів Лейбніца (IFW): «Буде цікаво побачити, як цей новий підхід пов’язаний із усталеною кремнієвою технологією. Позиціонуйте майбутнє ». Зараз дослідники перебувають у процесі подальшої розробки концепції.
"Наразі матеріал працював при кімнатній температурі, але лише у невеликому вікні", - пояснює Косуб. «Завдяки цілеспрямованій зміні оксиду хрому ми хочемо значно розширити територію». Важливий внесок роблять наші колеги з Швейцарського інституту нанонаук та фізичного факультету Базельського університету. Ви розробили новий метод, за допомогою якого магнітні властивості оксиду хрому вперше можна нанести на наномасштаб.
Експерти також хочуть інтегрувати кілька елементів пам'яті на одному чіпі. Наразі реалізовано лише один елемент, за допомогою якого можна зберегти лише один біт. Наступним кроком - і важливим у можливому застосуванні - є побудова масиву з декількох елементів. "В принципі, такі мікросхеми пам'яті можуть бути виготовлені за звичайними процесами виробників комп'ютерів", - говорить Макаров. "Не в останню чергу завдяки цьому галузь проявляє великий інтерес до таких компонентів".
Мозок в комп'ютері
Що таке нейроморфні обчислення? - Що таке нейроморфні чіпи?