Японские учёные создали квантовую магнитную память, в 25 раз быстрее DRAM, с минимальным нагревом и износом
Исследователи Токийского университета совместно с коллегами из Центра RIKEN CEMS разработали новый тип энергоэффективной памяти, основанный на квантово-механических явлениях. В отличие от традиционных решений, переключение состояний в новом элементе памяти осуществляется за счёт переноса спин-орбитального момента электрона, а не за счёт электрического тока. Это позволяет достичь высокой скорости работы, крайне низкого энергопотребления и практически полного отсутствия износа.
Принцип работы разработки напоминает существующие технологии магниторезистивной памяти (MRAM), в частности STT-MRAM (Spin-Transfer Torque MRAM), также использующие спин-орбитальный момент. Однако японские учёные утверждают, что их подход выходит за рамки предыдущих решений: использованные материалы позволяют управлять состоянием памяти при энергозатратах, близких к квантовому пределу. Это почти полностью исключает протекание обычного электрического тока и, как следствие, минимизирует рассеяние энергии в виде тепла — одну из главных проблем современной электроники.
Ключевым компонентом технологии стал антиферромагнетик станнид тримарганца (Mn?Sn), представляющий собой неколлинеарный антиферромагнетик. Атомы марганца в этом материале образуют так называемую «кагоме»-решётку, а их магнитные моменты ориентированы под углом 120° друг к другу. Несмотря на почти нулевую суммарную намагниченность, Mn?Sn проявляет гигантский аномальный эффект Холла, что делает его чувствительным к спин-орбитальному моменту электронов. Благодаря этому переключение магнитного состояния ячейки памяти достигается при минимальных токах.
Прототип магнитного переключателя, созданный исследователями, меняет логическое состояние всего за 40 пикосекунд — это примерно в 25 раз быстрее, чем у современных коммерческих элементов DRAM и SRAM, работающих в диапазоне наносекунд. При этом энергопотребление остаётся крайне низким, а короткая длительность управляющих импульсов (40 пс) не позволяет элементу нагреваться, что особенно важно для дата-центров и ИИ-ускорителей, где тепловыделение ограничивает рост производительности.
Кроме того, учёные продемонстрировали высокую стабильность переключения: заявленный ресурс достигает 10?? циклов, что значительно превосходит возможности современной энергонезависимой памяти.
Особое внимание привлекла интеграция фотонных технологий. Исследователи показали, что переключение состояния возможно не только электрическим сигналом, но и с помощью 60-пикосекундных фототоков, генерируемых лазером в телекоммуникационном диапазоне (около 1550 нм) через фотоэлектрический преобразователь. Это открывает путь к прямому оптическому интерфейсу между магнитной памятью и оптоволоконными каналами передачи данных без необходимости использования промежуточной КМОП-логики. Для дата-центров это может означать появление сверхбыстрой опто-спинтронной памяти, напрямую совместимой с существующей инфраструктурой межсерверной связи.
Практическое значение разработки выходит далеко за рамки лабораторного эксперимента. При масштабировании до уровня интегральных схем технология может лечь в основу новых 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 сопоставимы с затратами на сами вычисления. По сути, японские исследователи приблизились к созданию памяти, сочетающей скорость DRAM и энергонезависимость флеш-памяти — цели, которую индустрия преследует более двух десятилетий.
Поделиться
