MWC 2018
2018
Computex
IFA 2018
Учёные Токийского университета (The University of Tokyo) совместно с коллегами из Центра RIKEN CEMS представили принципиально новый тип энергоэффективного элемента памяти на основе квантово-механических явлений. Переключение состояний элемента опирается на перенос спин-орбитального момента электрона вместо обычного потока электронов (электрического тока), что позволяет памяти работать быстрее, с ничтожным потреблением и почти без износа.
Источник изображения: The University of Tokyo
Нечто подобное происходит в случае магниторезистивной памяти MRAM. Более того, давно существуют прототипы памяти STT-MRAM (Spin-transfer Torque MRAM), основанные на том же эффекте переноса спин-орбитального момента электрона. Но японские учёные заявляют, что пошли ещё дальше и подобрали такие материалы, которые работают буквально от квантов энергии. Это почти исключает обычное течение тока и сопутствующие ему случайные столкновения электронов с атомами кристаллической решётки, ведущие к паразитному рассеиванию тепла — глобальной проблеме современной электроники.
Этим чудо-материалом оказался антиферромагнетик станнид тримарганца (Mn3Sn, марганец плюс олово). Он является неколлинеарным антиферромагнетиком. Это значит, что атомы марганца в сплаве расположены в особой «кагоме»-решётке (Kagome lattice), а их магнитные моменты направлены под углом 120° друг к другу (как на рисунке). При этом, в отличие от обычных антиферромагнетиков, Mn3Sn демонстрирует гигантский аномальный эффект Холла — то есть ведёт себя как ферромагнетик, создавая сильный направленный отклик на электрический ток, хотя его полная намагниченность почти равна нулю. По этим причинам материал быстро и сильно реагирует на привнесённый электроном спин-орбитальный момент — ему не нужны значительные токи для достижения эффекта переключения ячейки из одного магнитного состояния в другое.
Созданный учёными прототип магнитного переключателя способен менять своё логическое состояние всего за 40 пикосекунд, что примерно в 25 раз быстрее лучших современных коммерческих SRAM- и DRAM-элементов, работающих в диапазоне единиц наносекунд. Но главная особенность разработки — сочетание рекордной скорости с крайне низким энергопотреблением, что особенно важно для будущих дата-центров и специализированных ИИ-ускорителей, где проблема тепловыделения становится главным ограничителем роста производительности. Очень короткие управляющие импульсы длительностью 40 пс просто не позволяют элементу разогреться и направить мощность в бесполезное тепло.
Также исследователи продемонстрировали высокую стабильность циклов переключения элемента, что критически важно для энергонезависимой памяти следующего поколения. Заявленное число циклов переключения достигает 1012, что недостижимо для современной энергонезависимой памяти.
Но и это ещё не все «чудеса». Отдельный прорыв в проекте связан с интеграцией фотонных технологий в элемент. Учёные показали, что переключение возможно не только электрическим сигналом, но и с помощью 60-пикосекундных фототоков, генерируемых лазером обычного телекоммуникационного диапазона (около 1550 нм) и фотоэлектрическим преобразователем. Это фактически демонстрация концепции прямого интерфейса между оптическими каналами передачи данных и магнитной памятью — без промежуточной громоздкой КМОП-логики. Для дата-центров это особенно важно: современные оптоволоконные магистрали уже работают именно в этом диапазоне длин волн, а значит, подобные элементы потенциально могут стать основой для сверхбыстрой опто-спинтронной памяти, напрямую связанной с межсерверными каналами связи.
Практическое значение работы выходит далеко за рамки лабораторного эксперимента. Если технология будет масштабирована до интегральных схем, она может лечь в основу нового класса вычислительных архитектур — энергонезависимых процессоров с почти мгновенным переключением состояний и минимальным энергопотреблением. Это особенно актуально для задач искусственного интеллекта, периферийных и экзафлопсных вычислений, где затраты на охлаждение уже сопоставимы с затратами на сами вычисления. По сути, японские исследователи приблизили создание памяти, которая сочетает преимущества DRAM по скорости и флеш-памяти по энергонезависимости, — комбинации, которую индустрия пытается реализовать уже более двух десятилетий.
Источник:
