Tokom poslednje decenije, sa uvođenjem sve složenijih tehnologija veštačke inteligencije (AI), potražnja za računarskom snagom je eksponencijalno porasla. Novi, energetski efikasni hardverski dizajni mogli bi da pomognu u ispunjavanju ove potražnje uz smanjenje potrošnje energije računara, podržavajući bržu obradu i omogućavajući AI obuku da se odvija unutar samog uređaja.
„Po mom mišljenju, već smo prešli iz ere interneta u eru veštačke inteligencije“, kaže Šan Vang, profesor Leland T. Edvards na Fakultetu inženjerskih nauka na Univerzitetu Stanford. „Želimo da omogućimo veštačku inteligenciju na ivici — lokalno treniranje na vašem kućnom računaru, telefonu ili pametnom satu — za stvari kao što su otkrivanje srčanog udara ili prepoznavanje govora. Da biste to uradili, potrebna vam je veoma brza, nepromenljiva memorija.“
Vang i njegove kolege su nedavno pronašli materijal koji bi novi tip sećanja mogao da približi komercijalizaciji. U novom radu objavljenom u Nature Materials, istraživači su pokazali da tanak sloj metalnog jedinjenja zvanog mangan paladijum tri ima neophodna svojstva da olakša oblik radne memorije koja čuva podatke u pravcima okretanja elektrona.
Ovaj metod skladištenja memorije, poznat kao magnetorezistivna memorija sa magnetorezistentnim obrtnim momentom ili SOT-MRAM, ima potencijal da skladišti podatke brže i efikasnije od trenutnih metoda koje čuvaju podatke korišćenjem električnog naboja i zahtevaju kontinuiran unos energije da bi se ti podaci održavali. .
„Pružili smo osnovni građevinski blok za buduće energetski efikasne elemente za skladištenje“, kaže Vang. „To je veoma temeljno, ali je iskorak.“
SOT-MRAM se oslanja na suštinsko svojstvo elektrona koje se zove spin. Da biste razumeli spin, zamislite elektron kao rotirajuću košarkašku loptu balansiranu na kraju prsta profesionalnog sportiste. Pošto su elektroni naelektrisane čestice, rotacija pretvara elektron u sićušni magnet, polarizovan duž svoje ose (u ovom slučaju, linija koja se proteže od prsta koji balansira loptu). Ako elektron menja smer okretanja, polovi sever-jug magneta se menjaju. Istraživači mogu da koriste smer nagore ili nadole tog magnetizma — poznat kao magnetni dipolni moment — da bi predstavili jedinice i nule koje čine bitove i bajtove računarskih podataka.
U SOT-MRAM-u, struja koja teče kroz jedan materijal (SOT sloj) generiše specifične pravce okretanja. Kretanje ovih elektrona, zajedno sa njihovim pravcima okretanja, stvara obrtni moment koji može da promeni smerove okretanja i povezane magnetne dipolne momente elektrona u susednom magnetnom materijalu. Sa pravim materijalima, skladištenje magnetnih podataka je jednostavno kao promena smera električne struje u SOT sloju.
Ali pronalaženje pravih SOT materijala nije lako. Zbog načina na koji je hardver dizajniran, podaci se mogu skladištiti gušće kada su pravci okretanja elektrona orijentisani gore ili dole u z-smeru. (Ako zamislite sendvič na tanjiru, k- i i-smer prate ivice hleba, a z-smer je čačkalica gurnuta kroz sredinu.) Nažalost, većina materijala polarizuje okretanje elektrona u i-smeru ako je u pitanju i-smer. struja teče u k-smeru.
„Konvencionalni materijali generišu samo okretanje u i-smeru – što znači da bi nam bilo potrebno spoljno magnetno polje da bi se prebacivanje dogodilo u z-smeru, što oduzima više energije i prostora“, kaže Fen Ksue, postdoktorski istraživač u Vangovoj laboratoriji. „U svrhu smanjenja energije i veće gustine memorije, želimo da možemo da realizujemo ovo prebacivanje bez spoljnog magnetnog polja.
Istraživači su otkrili da mangan paladijum tri ima svojstva koja su im potrebna. Materijal je u stanju da generiše spinove u bilo kojoj orijentaciji jer njegovoj unutrašnjoj strukturi nedostaje vrsta kristalne simetrije koja bi primorala sve elektrone na određenu orijentaciju. Koristeći mangan paladijum tri, istraživači su uspeli da pokažu prebacivanje magnetizacije i u i- i z-smeru bez potrebe za spoljnim magnetnim poljem. Iako nije demonstrirano u rukopisu, magnetizacija k-smera se takođe može promeniti u odsustvu spoljašnjeg magnetnog polja.
„Imamo istu ulaznu struju kao i drugi konvencionalni materijali, ali sada imamo tri različita pravca okretanja“, kaže Mahendra DC, koji je radio kao postdoktorski istraživač na Stanfordu i prvi je autor rada. „U zavisnosti od aplikacije, možemo kontrolisati magnetizaciju u bilo kom pravcu koji želimo.“
DC i Vang priznaju multidisciplinarnu i multiinstitucionalnu saradnju koja je omogućila ovaj napredak. „Laboratorija Evgenija Cimbala na Univerzitetu Nebraska predvodila je proračune za predviđanje neočekivanih smerova okretanja i kretanja, a laboratorija Džuli Borčers na Nacionalnom institutu za standarde i tehnologiju predvodila je merenja i napore modeliranja kako bi otkrila složene mikrostrukture unutar mangan paladijuma tri“, kaže Vang. „Zaista je potrebno selo.“
Pored svoje strukture koja narušava simetriju, mangan paladijum tri ima nekoliko drugih svojstava koja ga čine odličnim kandidatom za SOT-MRAM aplikacije. Može, na primer, da preživi i zadrži svoja svojstva kroz proces posle žarenja kroz koji elektronika treba da prođe.
„Posle žarenje zahteva da elektronika bude na 400 stepeni Celzijusa 30 minuta“, kaže DC. „To je jedan od izazova za nove materijale u ovim uređajima, a mangan paladijum tri može da se nosi sa tim.“
Takođe, sloj mangan-paladijuma tri nastaje korišćenjem procesa koji se zove magnetronsko raspršivanje, što je tehnika koja se već koristi u drugim aspektima hardvera za skladištenje memorije.
„Nema novih alata ili novih tehnika potrebnih za ovu vrstu materijala“, kaže Ksue. „Ne treba nam teksturirana podloga ili posebni uslovi da bismo je deponovali.“
Rezultat je materijal koji ne samo da ima nova svojstva koja bi mogla pomoći u ispunjavanju naših rastućih računarskih zahteva, već se može glatko uklopiti u trenutne proizvodne tehnike. Istraživači već rade na prototipovima SOT-MRAM-a koristeći mangan paladijum tri koji će se integrisati u prave uređaje.
„Udaramo u zid sa trenutnom tehnologijom“, kaže DC. „Dakle, moramo da shvatimo koje druge opcije imamo.“
