Сочетание марганца и палладия позволит создать быструю, эффективную и энергонезависимую оперативную память

Учёные Стэнфордского университета доложили о создании нового материала, который поможет создать оперативную память с более высокой скоростью работы и энергоэффективностью. Соединение имеет формулу MnPd₃ (марганец-палладий-3). Оно позволит создавать быстрые модули памяти, поддерживающие обучение систем искусственного интеллекта локально, а не на удалённых серверах.

Авторы проекта считают, что человечество переходит от эпохи интернета к эпохе ИИ, и актуальной задачей становится запуск ИИ-алгоритмов на периферии — на домашнем компьютере, смартфоне или даже смарт-часах. Это позволит, например, обнаруживать признаки проблем со здоровьем или распознавать естественную речь, но такие приложения требуют более эффективного оборудования, чем существующее, в том числе более быстрой оперативной памяти.

В данном случае речь идёт о памяти типа SOT-MRAM (spin-orbit torque MRAM) — магниторезистивной оперативной памяти с записью данных с помощью спин-орбитального вращательного момента. В её основе лежит внутреннее свойство электронов — его спин. Спин можно описать как нечто напоминающее баскетбольный мяч, вращающийся на кончике пальца спортсмена. Но поскольку электрон является заряженной частицей, он при вращении превращается в крошечный магнит, с поляризацией вдоль оси вращения — возвращаясь к аналогии с баскетбольным мячом, это линия, продолжающая линию пальца у спортсмена. Направляя эти линии вверх или вниз, можно добиться представления нулей или единиц, формируя в массиве байты компьютерных данных. При этом такая память в отличие от применяемой сейчас повсеместно оперативной памяти является энергонезависимой.

В модулях памяти SOT-MRAM через слой материала спин-орбитального момента (SOT) проходит спин-поляризованный ток, из-за которого производится переключение спинов частиц в соседнем магнитном материале. В идеале правильно подобранные вещества обеспечивают запись данных простым переключением тока в слое SOT. Однако найти подходящий материал для такого слоя непросто, и здесь снова требуется аналогия. Если взять за систему отсчёта лежащий на тарелке ломтик хлеба, а по его краям отложить оси X и Y, то при прохождении тока по оси X у большинства материалов спиновая поляризация производится по оси Y, тогда как максимальной плотности данных можно добиться при поляризации по оси Z — оси, продолжающей линию перпендикулярно воткнутой в ломтик хлеба зубочистки. Обойти это ограничение в общем случае получается при помощи внешнего магнитного поля, которое требует дополнительного пространства и дополнительных расходов энергии.

Нужными свойствами обладает полученное американскими учёными соединение MnPd₃ — его внутренняя структура лишена кристаллической симметрии, которая заставила бы все электроны выстраивать спины вдоль одной линии. При помощи этого материала исследователи продемонстрировали переключение поляризации как в направлении Y, так и в направлении Z без необходимости во внешнем магнитном поле — её можно выстраивать даже в направлении X, уточнили учёные, хотя этот нюанс в основную работу и не вошёл.

Помимо асимметричной кристаллической структуры, MnPd₃ обладает рядом иных свойств, которые помогут быстро внедрить его в массовое производство модулей SOT-MRAM. В частности, он выдерживает производимый при выпуске электроники отжиг (400 °C на 30 минут), а его слой создаётся при помощи магнетронного напыления — этот процесс уже используется при производстве других компонентов для хранения данных. Иными словами, для его внедрения в производство не потребуется новых инструментов или новых методов — материал обладает новыми свойствами, но идеально вписывается в современные технологии производства. Учёные уже работают над прототипам модулей SOT-MRAM на базе марганца-палладия-3, которые можно будет интегрировать в реальные устройства.