Ученые превратили потери спина в энергию, открыв путь к сверхэффективным чипам ИИ

Используя ранее бесполезные потери спина, исследователи добились энергоэффективного магнитного переключения — прорыв, способный изменить полупроводники для ИИ и сверхмалопотребляющие вычисления.

Исследовательская группа доктора Донг-Со Хана из Корейского института науки и технологий (KIST) в сотрудничестве с командами профессора Чжун-Иль Хона из DGIST и профессора Кён-Хвана Кима из Университета Йонсей разработала принцип устройства, которое может использовать «потери спина», ранее считавшиеся простыми потерями, в качестве нового источника энергии для магнитного управления.

Спинтроника — это технология, использующая свойство «спина» электронов для хранения и обработки информации. Она признается ключевой основой для технологий следующего поколения, таких как сверхэнергоэффективная память, нейроморфные чипы и вычислительные устройства для стохастических вычислений, поскольку потребляет меньше энергии и является более энергонезависимой, чем традиционные полупроводники. Данное исследование значимо, поскольку предлагает новый подход, способный значительно улучшить эффективность этих спинтронных устройств.

Команда исследователей обнаружила новое физическое явление, позволяющее магнитным материалам спонтанно менять направление своей намагниченности без внешних стимулов. Магнитные материалы — ключевой элемент устройств обработки информации следующего поколения, которые хранят информацию или выполняют вычисления, изменяя направление внутренней намагниченности. Например, если направление намагниченности направлено вверх, это распознается как «1», а если вниз — как «0», что позволяет хранить данные или производить вычисления.

Традиционно для изменения направления намагниченности через магнит пропускали сильный ток, чтобы форсировать спин электронов. Однако этот процесс сопровождается потерей спина, когда часть спина не достигает магнита и рассеивается, что считалось основным источником потерь энергии и низкой эффективности.

Исследователи ранее фокусировались на разработке материалов и улучшении процессов, чтобы уменьшить потери спина. Но теперь команда обнаружила, что потери спина, напротив, оказывают эффект, изменяющий намагниченность. Это означает, что потери спина индуцируют спонтанное переключение намагниченности внутри магнитного материала — подобно тому, как шарик движется в реакцию на выход воздуха из него.

В своих экспериментах команда продемонстрировала парадокс: чем больше потери спина, тем меньше энергии требуется для переключения намагниченности. В результате энергоэффективность оказалась до трех раз выше, чем у традиционных методов, и этого можно достичь без специальных материалов или сложных структур устройств, что делает технологию высокопрактичной и масштабируемой для промышленности.

Кроме того, технология использует простую структуру устройства, совместимую с существующими полупроводниковыми процессами, что обеспечивает высокую возможность массового производства, а также преимущества для миниатюризации и высокой интеграции. Это открывает возможности для применения в различных областях, таких как чипы ИИ, сверхэнергоэффективная память, нейроморфные вычисления и устройства для вероятностных вычислений. В частности, ожидается активное развитие высокоэффективных вычислительных устройств для ИИ и периферийных вычислений.

«До сих пор область спинтроники фокусировалась только на сокращении потерь спина, но мы указали новое направление, используя эти потери как энергию для индукции переключения намагниченности, — сказал доктор Донг-Со Хан, старший исследователь KIST. — Мы планируем активно разрабатывать сверхмалые и малопотребляющие полупроводниковые устройства для ИИ, поскольку они могут служить основой для сверхэнергоэффективных вычислительных технологий, необходимых в эпоху ИИ».

Исследование было поддержано Министерством науки и ИКТ Республики Корея через институциональную программу KIST, проект глобальных TOP исследований и разработок (GTL24041-000) и базовый исследовательский проект Национального исследовательского фонда Кореи (2020R1A2C2005932). Результаты работы опубликованы в последнем номере международного журнала Nature Communications (импакт-фактор 15.7, JCR field 7%).

Источники: