Надефективна магнітна «універсальна пам'ять», що споживає значно менше енергії

Науковці з Японії здійснили значний прорив у розробці магніторезистивної оперативної пам'яті (MRAM) — технології, що має потенціал революціонізувати обчислювальні системи. Цей тип «універсальної пам'яті» успішно долає обмеження традиційної оперативної пам'яті (RAM), продуктивність якої може знижуватися при піковому навантаженні через порівняно невелику ємність.

Універсальна пам'ять — це формат зберігання даних, що поєднує швидкість існуючої оперативної пам'яті зі здатністю зберігати інформацію без електроживлення. На відміну від компонентів, що використовуються в сучасних комп'ютерах і смарт-пристроях, така пам'ять забезпечує вищу швидкодію, значно більшу ємність та кращу витривалість.

Ключовим досягненням японських науковців стало розв'язання проблеми високого енергоспоживання при записі даних, що раніше була основною перешкодою для широкого впровадження MRAM. Хоча пристрої MRAM споживають мало енергії в режимі очікування, для зміни напрямку конфігурацій векторів намагніченості магнітних тунельних переходів традиційно потрібен великий електричний струм. Це робило таку технологію непрактичною для більшості обчислювальних систем.

У статті, опублікованій 25 грудня 2024 року в журналі Advanced Science, дослідники представили новий компонент для контролю електричного поля в пристроях MRAM. Їхній метод вимагає значно менше енергії для зміни полярності, що знижує енергоспоживання та покращує швидкість виконання процесів.

Розроблений прототип компонента отримав назву «мультиферроїчна гетероструктура» — вона складається з ферромагнітного та п'єзоелектричного матеріалів з ультратонким шаром ванадію між ними. Цей компонент може намагнічуватися електричним полем, що відрізняє його від інших пристроїв MRAM, які не мали ванадієвого шару.

Структурні коливання у ферромагнітному шарі раніше ускладнювали підтримку стабільного напрямку намагнічування в попередніх пристроях MRAM. Ванадієва пластина між ферромагнітним і п'єзоелектричним шарами діє як буфер, вирішуючи цю проблему стабільності.

Пропускаючи електричний струм через матеріали, вчені продемонстрували, що магнітний стан може змінювати напрямок. Матеріали зберігають свою форму і структуру, чого не могли забезпечити попередні версії. Крім того, магнітний стан зберігається після зникнення електричного заряду, що дозволяє підтримувати стабільний двійковий стан без електроживлення.

Дослідження не охоплювало питання деградації ефективності перемикання з часом, що є поширеною проблемою для широкого спектру електронних пристроїв. Для порівняння, одна з типових проблем перезаряджуваних побутових батарей полягає в тому, що їх можна заряджати лише обмежену кількість разів (приблизно 500) перш ніж почнеться деградація ємності.

За словами науковців, нова технологія MRAM може забезпечити потужніші комерційні обчислення з одночасним збільшенням терміну служби. Це стає можливим завдяки тому, що нова техніка перемикання потребує значно менше енергії порівняно з попередніми рішеннями, має більшу стійкість порівняно з сучасними технологіями оперативної пам'яті та не потребує рухомих частин.

Японські дослідники продовжують вдосконалювати цю технологію, і, хоча до масового виробництва ще далеко, результати виглядають багатообіцяючими для майбутнього обчислювальної техніки та пристроїв зберігання даних.