Память нового поколения: SOT-MRAM на основе вольфрама

Новости сегодня - Память нового поколения: SOT-MRAM на основе вольфрама

Известно, что способность надёжно переключать направление магнитного поля в материалах, процесс, известный как переключение намагниченности, играет ключевую роль в работе большинства устройств памяти. Один из известных способов достижения этой цели заключается в создании вращательной силы (крутящего момента) на электронных спинах посредством электрического тока; этот физический эффект известен как спин-орбитальный крутящий момент (СОВ).

Устройства хранения информации, использующие этот эффект, называются магнитными ОЗУ с произвольным доступом и спин-орбитальным моментом (SOT-MRAM). Было обнаружено, что такие системы памяти обладают рядом существенных преимуществ, таких как способность сохранять данные даже при отключении питания , быстрое переключение по сравнению с другими существующими решениями в области памяти и низкое энергопотребление .

Исследователи из Национального университета Ян Мин Цзяотун, Тайваньской компании по производству полупроводников, Научно-исследовательского института промышленных технологий и других институтов недавно разработали новую SOT-MRAM-память на основе композитных материалов , содержащих тяжёлый металл вольфрам, известный своей сильной спин-орбитальной связью. Их устройство памяти, представленное в статье, опубликованной в журнале Nature Electronics , может быть изготовлено с использованием существующих технологий крупномасштабного производства полупроводников.

«Наша мотивация исходила из потребности в действительно энергосберегающей, высокоскоростной и надёжной памяти для поддержки вычислений нового поколения», — рассказал Tech Xplore Йен-Лин Хуан, первый автор статьи. «Хотя MRAM со спин-орбитальным моментом предлагалась давно, задача состояла в том, чтобы продемонстрировать наносекундное переключение, длительное хранение и масштабную интеграцию в рамках процессов, совместимых с полупроводниковой промышленностью».

Основной целью недавнего исследования Хуанга и его коллег была разработка MRAM-памяти, которая одновременно обладала бы высокой скоростью и долговечностью, но при этом могла бы производиться с использованием технологий, широко применяемых в электронной промышленности. Созданное ими запоминающее устройство хранит информацию в направлении намагниченности тонкого ферромагнитного слоя.

«Вместо использования магнитного поля мы применяем спин-орбитальный крутящий момент — ток через слой вольфрама генерирует спины, которые меняют намагниченность примерно за 1 нс», — пояснил Хуанг.

«По сравнению с DRAM и Flash, наша MRAM сочетает энергонезависимость (как Flash) с наносекундной скоростью (как DRAM), но при этом потребляет гораздо меньше энергии и не требует циклов обновления. Уникальным аспектом здесь является стабилизация вольфрамовой фазы для обеспечения как высокой эффективности спина, так и готовой к интеграции в промышленность».

Исследователи создали прототип своей памяти с массивом объёмом 64 килобит (КБ), а затем оценили его производительность в условиях, приближенных к реальным приложениям. Было обнаружено, что SOT-MRAM достигает впечатляющей скорости переключения 1 нс и времени хранения данных более 10 лет.

«Мы стабилизировали фазу вольфрама, которую обычно трудно контролировать, но которая критически важна для эффективности спина при температурах до 700 °C», — сказал Хуан. «Наше исследование показывает, что SOT-MRAM можно масштабировать до уровня кэша на кристалле и встроенной памяти, что позволяет создавать энергоэффективные решения для искусственного интеллекта и периферийных вычислений, где важны как скорость, так и энергонезависимость».

Недавняя работа Хуанга и его коллег может открыть новые возможности для масштабируемого и крупномасштабного производства высокопроизводительных SOT-MRAM на основе β-фазы вольфрама. В будущем другие исследовательские группы смогут использовать это исследование для разработки других систем памяти , отличающихся высокой скоростью, стабильностью и совместимостью с существующими производственными процессами.

«Теперь мы стремимся выйти за рамки экспериментальных массивов и достичь интеграции мегабитного уровня, одновременно снижая ток записи до уровня ниже пикоджоуля на бит», — добавил Хуан. «Что касается физики, мы исследуем новые оксидные и двумерные интерфейсы для дальнейшего повышения эффективности и надежности. Ещё одно направление — демонстрация на системном уровне, демонстрирующая, как MRAM может снизить общую мощность ускорителей ИИ и мобильных устройств».

Новости партнеров: