Японцы создали магнитную память на квантовых эффектах — она в 25 раз быстрее DRAM, почти не греется и не изнашивается

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.

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.