електроніка
Спінтроніка: майбутнє енергоефективних обчислень
Securities.io дотримується суворих редакційних стандартів і може отримувати винагороду за перевірені посилання. Ми не є зареєстрованим інвестиційним консультантом, і це не є інвестиційною порадою. Будь ласка, перегляньте наші розкриття партнерів.
Як спінтроніка може революціонізувати обчислювальну техніку
Поступово світ апаратних обчислень починає дивитися далі кремнієвих чіпів або навіть класичних форм двійкових обчислень загалом. Це пояснюється тим, що звичайні чіпи та пам'ять у наших комп'ютерах та центрах обробки даних стають дедалі складнішими у виготовленні, а останнє покоління має транзистори розміром ледве кілька нанометрів.
Ще одним фактором є те, що споживання енергії стає проблемою, оскільки попит на обчислювальну потужність, особливо для систем штучного інтелекту, продовжує зростати.
Існує багато запропонованих рішень, серед яких квантові обчислення та фотоніка є найпоширенішими варіантами для зменшення попиту на обчислення або для їх пришвидшення та зменшення енергоємності.
Інша — це спінтроніка, яка використовує спін електронів, квантову характеристику, замість електричного струму (потоку електронів).
Вчені працюють над тим, щоб зробити спінтроніку настільки ефективною, що вона могла б замінити значну частину наших обчислювальних потреб.
Нещодавня наукова стаття дослідників з Корейського інституту науки і технологій (KIST), Сеульського національного університету, Кунсанського національного університету (Корея), Йонсейського університету та Майнського університету імені Йоганнеса Гутенберга (Німеччина) виявила, що втрати спіну можна перетворити назад на намагніченість, що робить спінтронічну електроніку ще більш енергоефективною.
Вони опублікували свої результати в журналі Nature Communications.1, під назвою «Перемикання намагніченості, зумовлене магнонною спіновою дисипацією".
Ще одне нещодавнє відкриття дослідників Китайської академії наук, Національної лабораторії синхротронного випромінювання (Китай), Шанхайського технічного університету та Бейханського університету полягало в тому, як використовувати недосконалості спінтронних матеріалів для створення швидшої, розумнішої та ефективнішої електроніки.
Вони опублікували свої результати в журналі Nature Materials2, під назвою «Нетрадиційне масштабування орбітального ефекту Холла".
Переваги та потенційні застосування спінтроніки
Електронні компоненти, такі як транзистори, традиційно виготовляються з кремнію та використовують напівпровідники. Сигнали 0 та 1 у двійковому коді вказують на проходження або блокування електричного струму.
Альтернативний спосіб виконання обчислень – це використання пристроїв спінтроніки, які працюють на основі спіну електронів (фундаментальної квантової характеристики), а не електричного струму (потоку електронів).
джерело: Аналітика IAS
Дані можуть бути закодовані як у спіновому кутовому моменті, який можна уявити як вбудовану орієнтацію електрона «вгору» або «вниз», так і в орбітальному кутовому моменті, який описує, як електрони рухаються навколо атомних ядер.
Оскільки це містить більше інформації, ніж просто 0 та 1, спін може містити більше даних на атом, ніж традиційна електроніка.
У Spintronics є кілька Інше переваги над класичними електронними системами, зокрема:
- Швидші дані, оскільки обертання можна змінювати набагато швидше.
- Менше споживання енергії, оскільки оберт можна змінити з меншою потужністю, ніж це потрібно для підтримки потоку електронів для створення струму.
- Замість складних напівпровідникових матеріалів можна використовувати прості метали.
- Спін менш волатильний, ніж напівпровідниковий стан, що робить зберігання даних стабільнішим.
Проведіть пальцем, щоб прокрутити →
| особливість | Традиційна електроніка | Спінтроніка |
|---|---|---|
| Носій інформації | Електричний струм (0 або 1) | Спін електрона (вгору/вниз) |
| Енергоефективність | Високе енергоспоживання | Менше енергоспоживання |
| швидкість | Обмежено потоком струму | Швидше перемикання обертання |
| Матеріали | Складні напівпровідники | Прості метали/оксиди |
| Стабільність даних | Енергозалежне сховище | Стабільний, нелеткий |
Спінтроніка вже використовується для жорстких дисків і дозволила збільшити ємність сховищ даних протягом останнього десятиліття.
«Спін — це квантово-механічна властивість електронів, яка подібна до крихітного магніту, що переноситься електронами, спрямованого вгору або вниз».
Ми можемо використовувати спін електронів для передачі та обробки інформації в так званих спінтронічних пристроях.
Таліє Гіасі - Постдокторант у Делфтському технологічному університеті
Подолання матеріальних труднощів у спінтроніці
Незважаючи на ці переваги, спінтроніка ще не набула комерційного впровадження. Частково це пов'язано з роллю дефектів матеріалу. Внесення дефектів у матеріал іноді може полегшити «запис» даних у біти пам'яті, зменшуючи необхідний струм.
Однак ці дефекти також збільшують електричний опір і зменшують спінову холлівську провідність, що значно ускладнює використання спіну для кодування даних.
Рішенням може бути використання рутенату стронцію (SrRuO3), оксиду перехідного металу, властивості якого можна точно налаштувати.
Ретельне проектування дефектів у матеріалі за допомогою спеціально розроблених пристроїв та методів точного вимірювання змінює реакцію спінів на них.
«Процеси розсіювання, які зазвичай погіршують продуктивність, насправді подовжують термін служби орбітального кутового моменту, тим самим збільшуючи орбітальний струм».
Це радикально відрізняється від традиційних систем на основі спіну. У цих експериментах індивідуальна модуляція провідності призвела до 3-кратного покращення енергетичної ефективності перемикання.
«Ця робота по суті переписує правила проектування цих пристроїв. Замість боротьби з недосконалостями матеріалів, ми тепер можемо їх використовувати».
Енергоефективні обчислення зі спінтронікою
Магнетизм і спін
Оскільки спін є характеристикою електронних частинок, можливо, не дивно, що дослідники знаходять нові зв'язки між спіном і намагніченістю електронних матеріалів.
Корейські дослідники вивчали цей зв'язок. Традиційно, перемикання намагніченості електронного компонента між 1 та 0 вимагає великих струмів для зміни напрямку намагніченості. Цей процес призводить до втрат спіна, що вважається основним джерелом втрат енергії та низької ефективності.
Замість того, щоб намагатися пом'якшити ці втрати та зменшити дисипацію спіну, вони прагнуть використати це, поєднавши один феромагнітний метал з антиферомагнітним ізолятором.
джерело: Матеріали природи
джерело: Матеріали природи
Спінові струми
Дослідники зосередилися на спінових струмах, які також називають магнони.
джерело: Хабсторінка
Вони виявили, що ефективність спін-магнонного перетворення була найвищою, коли магнітокристалічна легка вісь (n) була найближчою до спінової поляризації (μ).
На практиці це означає, що втрата спіну була використана для забезпечення енергії, необхідної для викликання зміни магнітного статусу матеріалу.
джерело: Матеріали природи
Масштабованість за допомогою сучасних методів
Цей метод використовує просту структуру пристрою, сумісну з існуючими процесами виробництва напівпровідників.
«Досі галузь спінтроніки зосереджувалася лише на зменшенні спінових втрат, але ми запропонували новий напрямок, використовуючи втрати як енергію для індукування перемикання намагніченості».
Це робить його дуже зручним для масового виробництва, а також вигідним для мініатюризації та високої інтеграції, що може суттєво уповільнити впровадження більш радикальних нових конструкцій в електроніці.
Таким чином, це відкриття може швидко знайти застосування в пам'яті та обчисленнях напівпровідників штучного інтелекту, пам'яті з наднизьким енергоспоживанням, нейроморфних обчисленнях та пристроях обчислень на основі ймовірностей.
Оскільки ці галузі вже переживають бум, це може надати цій технології величезні можливості.
«Ми плануємо активно розробляти надмалі та низькопотужні напівпровідникові пристрої штучного інтелекту, оскільки вони можуть служити основою для обчислювальних технологій наднизького енергоспоживання, які є важливими в епоху штучного інтелекту».
Висновок
Спінтроніка досі обмежувалася технологією жорстких дисків, але вона швидко змінюється завдяки кращому розумінню того, як маніпулювати спінами електронів та використовувати їх.
Це має створити новий тип електроніки, не стільки потужнішу, як це зазвичай буває з новими та меншими чіпами, але енергоефективнішу та навіть простішу у виробництві, що є важливими моментами, оскільки споживання енергії дедалі більше стає проблемою в розгортанні центрів обробки даних зі штучним інтелектом та периферійних обчислень (як-от для автомобілів з автономним керуванням або робототехніки).
Компанії Spintronics
1. Everspin Technologies
(MRAM )
Everspin – це філія Freescale (тепер відома як NXP, біржовий тікер NXPI), що займається розробкою систем пам'яті MRAM. Вона була виділена та вийшла на IPO у 2016 році.
Everspin вважається лідером технології MRAM (магніторезистивна пам'ять з довільним доступом), успадкувавши досвід Freescale. першим, хто комерціалізував чіп MRAM у 2006 році.
Оскільки MRAM – це пам'ять, яка зберігає свою пам'ять навіть за відсутності струму, вона все частіше використовується в делікатних випадках, коли критично важливі дані занадто важливі, щоб ризикувати їх втратою.
Завдяки поширенню таких застосувань, як аналітика даних, хмарні обчислення, як наземні, так і позаземні, штучний інтелект (ШІ) та периферійний ШІ, включаючи промисловий Інтернет речей, прогнозується, що ринок постійної пам'яті зростатиме зі середньорічним темпом зростання (CAGR) 27.5% у період з 2020 по 2030 рік.
джерело: Everspin
Компанія оцінює, що до 7.4 року обсяг ринку досягне 2027 млрд доларів. З 2021 року компанія не має боргів та має позитивний вільний грошовий потік.
Продукти Everspin MRAM зараз займають невелику, але зростаючу нішу, обслуговуючи ринки, де надійність має вирішальне значення, такі як аерокосмічна галузь, супутники, реєстратори даних, пристрої моніторингу пацієнтів тощо.
джерело: Everspin
Зростання чіпсетів, штучного інтелекту та синаптичних систем також може стати довгостроковим стимулом для компанії.
2. Корпорація NVE
(NVEC )
Ще один лідер спінтроніки, NVE працює над цією технологією з моменту свого першого патенту на технологію MRAM у 1995 роціВін виробляє спінтроніку датчиків та ізолятори, в основному використовується в вимірювальних і сенсорних системах для автомобілів, передач, медичних пристроїв, блоків живлення та інших промислових пристроїв.
джерело: NVE
Це ставить NVE в дещо іншу категорію, ніж Everspin, де NVE є радше промисловою компанією з сильними позиціями на нішевому ринку (магнітометри з використанням спінтроніки), тоді як Everspin — це радше компанія з виробництва пам'яті/обчислювальних машин, яка працює та конкурує з такими компаніями, як Intel, Qualcomm, Toshiba та Samsung, які також розробляють власний продукт MRAM.
Це може зробити акції більш (або менш) привабливими залежно від профілів інвесторів, причому акції NVE, швидше за все, будуть привабливішими для більш консервативних інвесторів, які шукають дивідендної дохідності та безпеки.
Дослідження, на які посилаються
1. Пен, С., Чжен, X., Лі, С. та інші Нетрадиційне масштабування орбітального ефекту Холла. НатуральнийЮр Матеріл. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02326-3
2. Чой, Вайомінг, Ха, Дж. Х., Юнг, М. С. та інші Перемикання намагніченості, зумовлене магнонною спіновою дисипацією. НатуральнийЮр Комунікацій 16, 5859 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61073-w
