Революционная память на основе вольфрама: скорость и энергоэффективность

Надежное переключение магнитного состояния материалов — основа большинства современных запоминающих устройств. Один из перспективных подходов — использование спин-орбитального момента (SOT), возникающего при прохождении электрического тока через определенные материалы.

Устройства, использующие этот эффект, известны как SOT-MRAM (магниторезистивная память с произвольным доступом на спин-орбитальном моменте). Их ключевые преимущества — энергонезависимость, высокая скорость переключения и низкое энергопотребление.

Команда исследователей из Национального университета Ян-Мин Чуан, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company и других институтов разработала новый тип SOT-MRAM. В основе устройства лежит композитный материал с тяжелым металлом вольфрамом, обладающим сильной спин-орбитальной связью. Эта разработка, представленная в журнале Nature Electronics, совместима с существующими технологиями производства полупроводников, что открывает путь к массовому производству.

«Наша цель — создать по-настоящему энергоэффективную, высокоскоростную и надежную память для следующего поколения вычислительных систем», — отмечает Йен-Лин Хуанг, ведущий автор исследования. «Хотя SOT-MRAM разрабатывается давно, основной задачей было достичь скорости переключения в наносекундном диапазоне, длительного хранения данных и возможности интеграции в рамках существующих промышленных процессов».

Главной целью исследования было создание MRAM, сочетающей высокую скорость и долговечность, с возможностью производства по стандартным технологиям электроники. Информация в этом устройстве хранится путем изменения направления намагниченности тонкого ферромагнитного слоя.

«Вместо использования магнитного поля, мы задействуем спин-орбитальный момент: ток, проходящий через слой вольфрама, генерирует спины, которые изменяют намагниченность примерно за 1 наносекунду», — поясняет Хуанг. «По сравнению с DRAM и Flash, наша MRAM объединяет энергонезависимость (как у Flash) с наносекундной скоростью (как у DRAM), но при значительно меньшем энергопотреблении и без необходимости циклов обновления. Уникальность нашего решения — в стабилизации фазы вольфрама, обеспечивающей высокую эффективность спина и совместимость с производством».

Разработанный прототип памяти, представляющий собой массив на 64 килобит (kb), продемонстрировал впечатляющую скорость переключения — 1 нс, и время хранения данных, превышающее 10 лет, в условиях, приближенных к реальным.

«Мы смогли стабилизировать фазу вольфрама, которую обычно сложно контролировать, но которая критически важна для эффективности спина, при температуре до 700 °C», — добавляет Хуанг. «Наше исследование показывает, что SOT-MRAM может быть масштабирована для использования в качестве кэш-памяти и встроенных запоминающих устройств, обеспечивая энергоэффективные вычисления в области ИИ и периферийных вычислений, где важны как скорость, так и энергонезависимость».

Эта работа открывает новые перспективы для масштабируемого производства высокопроизводительных SOT-MRAM на основе β-фазы вольфрама. В будущем исследователи планируют перейти от прототипов к массивам мегабитного класса, снизить ток записи до уровней ниже суб-пикоджоулей на бит, а также исследовать новые материалы и интерфейсы для дальнейшего повышения эффективности и надежности. Также ведется работа над демонстрацией системного применения MRAM для снижения общего энергопотребления в ускорителях ИИ и мобильных устройствах.