Работна памет за енергийната диета

Изследователи от Дрезден и Базел разработват основата за нов тип чип памет

Прессъобщение от 3 януари 2017 г.

Прототип на антиферомагнитен магнитоелектричен чип с памет, разработен от изследователи от Дрезден и Базел. Състои се от тънък слой хром оксид (Cr2O3) за съхранение, върху който физиците прилагат друг ултратънък слой платина, който се използва за четене.

Изображение: Т. Косуб

Изтегли

Чиповете с памет са един от основните градивни елементи на компютъра. Защото без основната си памет, в която процесорът съхранява за кратко своите битове, нито един компютър не може да функционира. Сега изследователи от Дрезден и Базел поставиха основите на нова концепция за чипове с памет. Той има потенциал да консумира значително по-малко енергия от предишната памет - важно не само за мобилни приложения, но и за центрове за данни с големи данни. Резултатите са представени в текущия брой на списание "Nature Communications".

Обичайните в момента чипове с електрическа памет имат решаващ недостатък: „Тези спомени са нестабилни, така че състоянието им трябва постоянно да се обновява“, обяснява Тобиас Косуб, първият автор на изследването и пост-доктор в Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). „И това изразходва относително голямо количество енергия.“ Последиците се усещат в големите центрове за данни, наред с други неща: От една страна, сметките им за електроенергия растат с нарастваща производителност. От друга страна, чиповете се загряват все повече и повече поради консумацията на енергия. За центровете за данни става все по-трудно да разсеят тази топлина - така че някои облачни оператори дори започват да създават своите компютърни ферми в студени региони.

Има алтернатива на електрическите чипове с памет: така наречените MRAM съхраняват данните си магнитно, така че не е необходимо да се обновяват постоянно. Необходими са обаче относително големи токове, за да се запишат данните в паметта. Но това намалява надеждността: „Ако има неизправности в процеса на писане или четене, те заплашват да се износят и да се счупят твърде бързо“, казва Косуб.

Електрическо напрежение вместо електричество

Ето защо експертите отдавна работят по алтернативи MRAM. Клас материали, наречени магнитоелектрични антиферомагнетици, изглежда особено обещаващ. Вместо електричество, те се активират от електрическо напрежение. Проблемът: „Тези материали не могат да бъдат лесно достъпни“, обяснява ръководителят на групата на HZDR д-р. Денис Макаров. „Трудно е да се напишат данни върху тях и да се прочетат отново.“ Досега се предполагаше, че тези магнитоелектрически антиферомагнетици могат да се отчитат само косвено чрез феромагнетици, но това отрича много от предимствата. Така че целта е да се създаде чисто антиферомагнитна магнитоелектрическа памет (AF-MERAM).

Точно това са постигнали сега изследователските екипи от Дрезден и Базел. Те разработиха прототип AF-MERAM, основан на тънък слой от хром оксид. Подобно на пълненето на сандвич, той е монтиран между два тънки на нанометра електроди. Ако приложите напрежение към това, хром оксидът се преобръща в различно магнитно състояние - битът се записва. Най-важното: напрежение от няколко волта е достатъчно. „В сравнение с други концепции успяхме да намалим напрежението с коефициент 50“, казва Косуб. „Това ни позволява да пишем малко, без компонентът да консумира много енергия и да се нагрява.“ Особено предизвикателство беше да можем да прочетем написания бит отново.

За да направят това, физиците са нанесли фин нанометров слой платина върху хромовия оксид. Платината позволява четене чрез специален електрически феномен - аномалният ефект на Хол. Действителният сигнал е много малък и се наслагва от смущаващи сигнали. „Но успяхме да разработим метод, който потиска гръмотевиците на смущаващите сигнали и дава възможност да се стигне до полезния сигнал“, обяснява Макаров. „Това беше истинският пробив.“ Резултатите изглеждат много обещаващи, както оценява проф. Оливър Г. Шмид от участващия Институт за изследване на твърдо състояние и материали (Лайбниц) (IFW): „Ще бъде вълнуващо да видим как този нов Подход по отношение на утвърдената силициева технология в бъдеще. “Изследователите сега са в процес на по-нататъшно развитие на концепцията.

„Досега материалът е работил при стайна температура, но само в малък прозорец“, обяснява Косуб. „Чрез целенасочена промяна на хромовия оксид искаме значително да разширим района.“ Важен принос имат нашите колеги от Швейцарския институт по нанонауки и Физическия отдел в Университета в Базел. Разработили сте нов метод, с който магнитните свойства на хромовия оксид могат да бъдат нанесени за първи път върху наномащаба. Експертите също искат да интегрират няколко елемента памет в един чип. Досега е реализиран само един елемент, с който може да бъде запазен само един бит. Следващата стъпка - и важна в едно възможно приложение - е да се изгради масив от няколко елемента. „По принцип такива чипове с памет могат да бъдат произведени по обичайните процеси на производителите на компютри“, казва Макаров. "Не на последно място поради това, индустрията проявява голям интерес към такива компоненти."

Публикация: T. Kosub, M. Kopte, R. Hühne, P. Appel, B. Shields, P. Maletinsky, R. Hübner, MO Liedke, J. Fassbender, OG Schmidt, D. Makarov: Purely Antiferromagnetic Magnetoelectric Random Access Memory, in Nature Communications, 2016 (DOI: 10.1038/NCOMMS13985)