Новая технология переключения за 40 пикосекунд в 1000 раз быстрее DRAM и почти не нагревается

Исследователи из Токийского университета добились значительного прогресса в области спинтронной памяти, успешно продемонстрировав энергонезависимое устройство переключения на основе антиферромагнитного материала марганец-олово (Mn₃Sn).

Это устройство способно переключать свое состояние за 40 пикосекунд (пикосекунда — триллионная доля секунды), что примерно в 1000 раз быстрее, чем наносекундное переключение DRAM. При этом во время переключения температура повышается всего примерно на 8 К, практически не выделяя дополнительного тепла.

Традиционное сверхбыстрое переключение памяти часто зависит от кратковременного нагрева для нарушения стабильности материала. Ранее многие пикосекундные схемы переключения приводили к скачку температуры на сотни кельвинов во время работы.

В отличие от них, подход Токийского университета использует механизм спин-орбитального момента (Spin-Orbit Torque), который передает угловой момент непосредственно в магнитную структуру для переключения состояния, не требуя экстремального повышения температуры.

Исследовательская группа создала на кремниевой подложке многослойную структуру Mn₃Sn/Ta, которая с помощью сверхкоротких электрических импульсов надежно переключается между двумя стабильными магнитными конфигурациями, сохраняя информацию даже после отключения питания.

Команда также продемонстрировала более перспективное применение, используя лазер телекоммуникационного диапазона и фотодиод для генерации 60-пикосекундного фототокового импульса, который напрямую управляет переключением магнитного состояния.

Это означает, что оптический сигнал может записываться в ячейку памяти без электрооптического преобразования, что хорошо согласуется с текущей эволюцией сверхкрупных центров обработки данных в сторону оптических межсоединений и кремниевой фотоники.

Для инфраструктуры искусственного интеллекта потенциальное значение этой технологии заключается в решении проблем энергопотребления и отвода тепла в вычислительных кластерах. В настоящее время энергопотребление кластеров GPU обусловлено не только самими вычислениями, но и в значительной степени тратится на перемещение и обновление данных между кэшем, памятью, хранилищем и межсоединениями.

DRAM требует обновления заряда тысячи раз в секунду для сохранения данных, что приводит к постоянному потреблению энергии и выделению тепла даже в режиме простоя. Если технология спинтронной памяти в будущем сможет быть коммерциализирована, она теоретически сможет устранить затраты на обновление памяти, снизить требования к охлаждению, уменьшить энергопотребление в режиме ожидания и даже стереть границы между оперативной памятью и хранилищем.

Однако технология все еще находится на экспериментальной стадии. Текущее устройство представляет собой лабораторную микроструктуру, и до создания пригодной для производства микросхемы памяти еще далеко.

В статье также отмечается, что для детерминированного переключения по-прежнему требуется внешнее магнитное смещение, что является серьезным практическим препятствием для коммерциализации. Кроме того, предстоит решить вопросы масштабируемости производства, проверки долговечности, ценовой конкурентоспособности и интеграции с существующими КМОП-процессами.