Категорії
Різне

Про зміни швидкості в магнітній пам’яті

Науковцям вдалося в 100 разів прискорити запис інформації в магнітну пам’ять. «0» і «1» в звичайних комп’ютерних мікросхемах статичної пам’яті бінарних даних зберігаються як стан («включено» або «вимкнено») окремих кремнієвих транзисторів. В магнітній пам’яті ця ж інформація може бути представлена як протилежна полярності намагнічування. Подібні технології застосовуються в комп’ютерних жорстких дисках.

На відміну від традиційних мікросхем пам’яті при відключенні електроенергії магнітний аналог не втрачає свого стану. Недолік такої пам’яті лише в тому, що існуючі її варіанти працюють в 1000 разів повільніше за своїх електронних родичів.

Advertisements

В статті, опублікованій в журналі Natural Electronics, міжнародна група дослідників повідомила про новий метод перемикання намагніченості осередків магнітної пам’яті. Запропонований спосіб запису інформації майже в 100 разів швидший за ті методи, що існували до сьогодні. Для досягнення цього вражаючого результату вчені використовували надкороткі електричні імпульси тривалістю всього 6 трильйонних долі секунди, які діяли на тонку плівку магнітного матеріалу.

Магнітний запис інформації застосовується в кожному комп’ютері з жорстким диском, де біти – це ділянки феромагнетику, в яких нуль або одиниця відповідають різним напрямкам вектору намагніченості. Потім на зміну магнітній пам’яті у вигляді HDD прийшли більш швидкі твердотільні накопичувачі SSD, в яких вже немає магнітних бітів і рухомих частин. Але більш модерновими тепер стають спінтронні пристрої, в яких магнітний запис інформації реалізується за допомогою впливу на феромагнетик спін-поляризованим струмом.

Максимальна швидкість запису магнітної інформації обмежена частотою феромагнітного резонансу. В реальності ж, згідно з рівнянням Ландау – Ліфшиця – Гільберта, яке описує переворот магнітного моменту під дією зовнішнього магнітного поля, при впливі на магнітний момент особливо сильним полем можна домогтися його швидшого перевороту. Саме це поле швидко генерує спінтронні пристрої за рахунок імпульсу струму, в якому спіни всіх що беруть участь в русі електронів сонаправленні.

Застосування принципів спінтроніки можна спостерігати в магніторезистивній оперативній пам’яті із записом даних за допомогою перенесення спінового моменту (STT-MRAM). В таких пристроях використовується два магнітних шари: перший поляризує струм, що подається, а інший (більш м’який з точки зору магнітних властивостей) орієнтує свій магнітний момент під дією вже цього поляризованого струму. Відокремлює їх один від одного тонкий шар оксиду, що дозволяє записувати і зчитувати інформацію за допомогою ефекту тунельного магнітоопору.

В лабораторних умовах SST-перемикачі записували інформацію під впливом імпульсів струму тривалістю всього 50 пікосекунд, на практиці короткі імпульси струмів з високою щільністю заряду просто зруйнували б бар’єр між двома феромагнетиками. Тому швидкість запису інформації в подібних пристроях все ще обмежується наносекундами.

Про зміни швидкості в магнітній пам'яті
Схематичні зображення осередків STT-MRAM, SOT-пристрої і осередків SOT-MRAM

Магніnорезистивна оперативна пам’ять (MRAM – оперативна пам’ять на основі спінових вентилів, зберігає інформацію за допомогою магнітних моментів, а не електричних зарядів.

Запис даних в SOT-пристрої відбувається за допомогою спін-орбітального обертального моменту. В основі лежать два явища, що зустрічаються в провіднику зі струмом: спіновий ефект Холла, в якому електрони з антипаралельними напрямками спіну відхиляються під дією зовнішнього магнітного поля, і ефект Рашбам – Едельштейна, в якому за рахунок спін-орбітальної взаємодії в струмі відбувається акумуляція спінових моментів електронів. В результаті на суміжний з провідником феромагнетик діє індуковане магнітне поле з боку спінового струму в провіднику, яке можна використовувати для зміни напряму його власного магнітного моменту.

Про зміни швидкості в магнітній пам'яті
Схема проявів спінового ефекту Холла і ефекту Рашбам – Едельштейна

Джон Горчон (Jon Gorchon) з університету Лотарингії поставив рекорд за швидкістю роботи SOT-пристрою: його групі вдалося досягти зміни напряму магнітного моменту феромагнетику під дією струму тривалістю всього 6 пікосекунд. Сам імпульс генерували за допомогою фотоперемикача, на який світили фемтосекундним лазером з довжиною хвилі 800 нанометрів. Так фізикам вдалося досягти пікової щільності струму в 6 × 10 12 ампер на квадратний метр, якої було достатньо для зміни напряму магнітного моменту феромагнітного зразка за такий короткий проміжок часу. Напрямок та напруженість зовнішнього магнітного поля зі свого боку дозволяли регулювати кінцевий стан магнітного моменту феромагнетику і величину ефекту.

Для спостереження за напрямком магнітного моменту феромагнетику в процесі перемикання вчені використовували магнітооптичний ефект Керра: по відбитим від феромагнетику імпульсам випромінювання лазера тривалістю 250 фемтосекунд Джон і колеги спостерігали за динамікою магнітного поля в SOT-пристрої. Виявилося, що перемикання магнітного моменту зразка відбувається з ймовірністю в 91 відсоток, а релаксація феромагнетику за рахунок термічних ефектів займає 350 пікосекунд. Реєструючи імпульс струму після проходження через SOT-пристрої, з урахуванням енергії, що завантажується в систему, фізики змогли порахувати, скільки енергії витрачається на намагнічування зразка. Вимірювання показали, що на це йде лише 50 пікоджоулів, що вкрай мало для установок з настільки високою щільністю струму.

Про зміни швидкості в магнітній пам'яті
Результати сканування зразка шляхом аналізу магнітооптичного ефекту Керра в початковому і кінцевому станах при різних параметрах установки, Jon Gorchon et al., Nature Electronics

Магнітооптичний ефект Керра полягає в тому, що при відображенні лінійно поляризованого світла від поверхні намагніченого матеріалу спостерігається обертання площини поляризації світла, а світло стає еліптично поляризованим.

Швидкість і енергоефективність SOT-пристрою дає надію на те, що в майбутньому подібна технологія дозволить створити пам’ять, яка б істотно перевершувала сучасні аналоги за цими показниками. Науковці вважають, що для оптимізації подібних записів даних потрібно краще дослідити спінові процеси – вимірювання нутації спіну в феромагнетиках показали, що з їхнім урахуванням можна збільшувати швидкість і енергоефективність магнітного запису інформації. Крім швидкості і енергоефективності вченим хочеться домогтися і високої щільності запису даних.

Отримана продуктивність наближає магнітну пам’ять до традиційних електронних аналогів, при чому здатність зберігати всю записану в магнітні поля інформацію не втрачається. Широке використання нової магнітної пам’яті уможливить створення комп’ютерів, яким не потрібні будуть окремі жорсткі диски або твердотільні накопичувачі. Замість них для зберігання і обробки даних можна використовувати одну й ту ж саму пам’ять, режим енергозбереження вже буде не потрібен, а включення комп’ютера стане миттєвим.

Advertisements