Робоча пам’ять про енергетичну дієту - Центр Гельмгольца Дрезден-Россендорф, HZDR
Дослідники з Дрездена та Базеля розробляють основу для нового типу мікросхеми пам'яті
Прес-реліз від 3 січня 2017 року
| Прототип антиферромагнітного магнітоелектричного чіпа пам'яті, розроблений дослідниками з Дрездена та Базеля. Він складається з тонкого шару оксиду хрому (Cr2O3) для зберігання, на який фізики наносять ще один надтонкий шар платини, який використовується для зчитування. |
| Зображення: Т. Косуб |
| Завантажити |
Мікросхеми пам'яті є одним з основних будівельних блоків комп'ютера. Оскільки без основної пам'яті, в якій процесор ненадовго зберігає свої біти, жоден комп’ютер не може функціонувати. Зараз дослідники з Дрездена та Базеля заклали основи нової концепції мікросхем пам'яті. Він може споживати значно менше енергії, ніж попередня пам’ять - важливо не тільки для мобільних додатків, але і для великих дата-центрів. Результати представлені в поточному номері журналу "Nature Communications".
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). "І це споживає відносно велику кількість 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. «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. 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». 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 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".
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)