Робоча пам’ять на енергетичній дієті Дослідники розробляють основу для нового типу чіпа пам’яті -
Прототип нового чіпа пам'яті. Він складається з тонкого шару оксиду хрому для зберігання, на який фізики наносять надтонкий шар платини, який використовується для зчитування. Зображення: Т. Косуб/HZDR
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 навіть 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. Але це знижує надійність: "Якщо в процесі письма чи читання виникають несправності, вони загрожують зношуватися і надто швидко ламатися", - 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. "Важко писати на них дані і читати їх знову".
До цього часу передбачалося, що ці магнітоелектричні антиферомагнетики можуть бути зчитувані лише опосередковано через феромагнетики, але це 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. 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 перешкоджаючих сигналів і дає можливість отримати доступ до корисного сигналу", - пояснює Макаров.
«Це був справжній прорив». Результати виглядають дуже багатообіцяючими, як оцінює професор Олівер Г. Шмідт з Інституту досліджень твердого тіла та матеріалів Лейбніца (IFW): «Буде цікаво подивитися, як цей новий Підхід щодо встановленої кремнієвої технології в майбутньому ». 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 зберігання 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".
Публікація:
Т. Косуб, М. Копте, Р. Хюне, П. Аппель, Б. Шилдс, П. Малетинський, Р. Хюбнер, М. О. Лідке, Дж. Фассбендер, О. Г. Шмідт, Д. Макаров: Чисто антиферромагнітна магнітоелектрична оперативна пам’ять, у Nature Communications, 2016 (DOI: 10.1038/NCOMMS13985)
Додаткова інформація:
Лікар. Тобіас Косуб | Лікар. Денис Макаров
Інститут фізики іонних променів та досліджень матеріалів при HZDR
Тел. +49351 260-2900 | 3273
Електронна адреса: [email protected] | [email protected]
Контакт із ЗМІ:
Саймон Шмітт | Науковий редактор
Тел. +49351 260-3400 | Електронна адреса: [email protected]
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) проводить дослідження в галузі енергетики, здоров'я та речовин. Основна увага приділяється наступним питанням:
- Як ефективно, безпечно та стійко використовувати енергію та ресурси?
- Як можна краще візуалізувати, характеризувати та ефективно лікувати ракові захворювання?
- Як поводяться речовина і матеріали під впливом високих полів і в найменших розмірах?
Великі пристрої з унікальними варіантами експериментів використовуються для відповіді на наукові питання, а також доступні для зовнішніх гостей. HZDR є членом Асоціації Гельмгольца, найбільшої наукової організації в Німеччині. У ньому розташовано п’ять місць і в ньому працює близько 1100 людей - у тому числі близько 500 вчених, у тому числі 150 докторантів.