Pracovná pamäť na energetickú stravu

Vedci z Drážďan a Bazileja vyvíjajú základňu pre nový typ pamäťového čipu
Pamäťové čipy sú jedným zo základných stavebných prvkov počítača. Pretože bez hlavnej pamäte, v ktorej procesor nakrátko uloží svoje bity, nemôže fungovať žiadny počítač. Vedci z Drážďan a Bazileja teraz položili základy nového konceptu pamäťových čipov. Má potenciál spotrebovať podstatne menej energie ako predchádzajúca pamäť - čo je dôležité nielen pre mobilné aplikácie, ale aj pre veľké dátové centrá. Výsledky sú uvedené v aktuálnom vydaní časopisu „Nature Communications“.

Aktuálne bežné čisto elektrické pamäťové čipy majú rozhodujúcu nevýhodu: „Tieto pamäte sú nestále, takže ich stav je potrebné neustále obnovovať,“ vysvetľuje Tobias Kosub, prvý autor štúdie a post-doktorand z Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). „A to spotrebuje relatívne veľké množstvo energie.“ Veľké dátové centrá okrem iného pociťujú dôsledky: Na jednej strane ich účty za elektrinu rastú so zvyšujúcim sa výkonom. Na druhej strane sa čipy vďaka svojej spotrebe energie čoraz viac zahrievajú. Rozptyľovať toto teplo je pre dátové centrá čoraz ťažšie - takže niektorí cloudoví operátori dokonca začínajú zakladať svoje počítačové farmy v chladných oblastiach.

Existuje alternatíva k elektrickým pamäťovým čipom: takzvané MRAM ukladajú svoje údaje magneticky, takže sa nemusia neustále obnovovať. Na zápis údajov do pamäte však treba pomerne veľké prúdy. To však znižuje spoľahlivosť: „Ak dôjde k poruchám v procese zápisu alebo čítania, hrozí ich predčasné opotrebenie a zlomenie,“ hovorí Kosub.

Namiesto elektriny elektrické napätie
Preto odborníci už dlho pracujú na alternatívach MRAM. Zvlášť nádejná sa javí trieda materiálov nazývaná magnetoelektrické antiferromagnety. Namiesto elektriny sa aktivujú elektrickým napätím. Problém: „K týmto materiálom nie je ľahký prístup,“ vysvetľuje vedúci skupiny HZDR Dr. Denys Makarov. „Je ťažké zapísať na ne údaje a znova ich načítať.“ Doteraz sa predpokladalo, že tieto magnetoelektrické antiferromagnety je možné čítať iba nepriamo prostredníctvom feromagnetov, čo však neguje mnohé výhody. Cieľom je teda vytvoriť čisto anti-feromagnetickú magnetoelektrickú pamäť (AF-MERAM).

Oxid chrómu môže byť tiež magnetický - to je všetko
To je presne to, čo teraz dosiahli výskumné tímy z Drážďan a Bazileja. Vyvinuli prototyp AF-MERAM založený na tenkej vrstve oxidu chrómového označeného ako plátok. Rovnako ako náplň sendviča je aj tento vložený medzi dve elektródy tenké nanometre. Ak na to použijete napätie, oxid chromitý „preklopí“ do iného magnetického stavu - bit je zapísaný. Zvýraznenie: napätie niekoľkých voltov je dostatočné. „V porovnaní s inými konceptmi sa nám podarilo znížiť napätie o faktor 50,“ hovorí Kosub. „Toto nám umožňuje písať trochu bez toho, aby komponent spotreboval veľa energie a zohrial sa.“ Zvláštnou výzvou bolo dokázať prečítať napísaný bit.

Fyzici za týmto účelom naniesli na oxid chrómu nanometrovú vrstvu platiny. Platina umožňuje čítanie pomocou špeciálneho elektrického javu - anomálneho Hallovho javu. Skutočný signál je veľmi malý a je superponovaný interferenčnými signálmi. "Dokázali sme však vyvinúť metódu, ktorá potláča búrky rušivých signálov a umožňuje prístup k užitočnému signálu," vysvetľuje Makarov. „To bol skutočný prielom.“ Výsledky vyzerajú veľmi sľubne, ako hodnotí profesor Oliver G. Schmidt zo zúčastneného Leibnizovho inštitútu pre výskum tuhých látok a materiálov (IFW): „Bude vzrušujúce sledovať, ako tento nový Prístup vo vzťahu k zavedenej kremíkovej technológii v budúcnosti. “Vedci v súčasnosti pokračujú v procese ďalšieho rozvoja koncepcie.

"Doteraz materiál pracoval pri izbovej teplote, ale iba v malom okne," vysvetľuje Kosub. „Cielenou zmenou oxidu chrómu chceme túto oblasť výrazne rozšíriť.“ Dôležitým spôsobom prispievajú naši kolegovia zo Švajčiarskeho inštitútu pre nanovedy a katedry fyziky na univerzite v Bazileji. Vyvinuli ste novú metódu, pomocou ktorej je možné magnetické vlastnosti oxidu chrómu po prvýkrát mapovať na nanomere. Odborníci chcú tiež integrovať niekoľko pamäťových prvkov do jedného čipu. Doteraz bol implementovaný iba jeden prvok, s ktorým je možné uložiť iba jeden bit. Ďalším krokom - a dôležitým v možnej aplikácii - je zostavenie poľa z niekoľkých prvkov. „Takéto pamäťové čipy sa dajú v zásade vyrábať obvyklými postupmi výrobcov počítačov,“ hovorí Makarov. „V neposlednom rade z tohto dôvodu prejavuje priemysel veľký záujem o tieto komponenty.“

Foto HZDR: Prototyp antiferomagnetického magnetoelektrického pamäťového čipu vyvinutý výskumníkmi z Drážďan a Bazileja. Skladá sa z tenkej vrstvy oxidu chrómu (Cr2O3) na uloženie, na ktorú fyzici nanesú ďalšiu ultratenkú vrstvu platiny, ktorá sa používa na čítanie. Ilustrácia: T. Kosub