Магнитоэлектрическая ячейка памяти повышает энергоэффективность

Исследователи разработали магнитоэлектрическую ячейку памяти произвольного доступа на основе опосредованного напряжением магнитоэлектрического эффекта, который обещает чрезвычайно низкие энергии записи и считывания битов.

Сегодняшние компьютеры обеспечивают хранение огромных объемов данных с чрезвычайно большими плотностями записи, но на запись и извлечение этой информации тратится много энергии. Более 99% потребляемой мощности при хранении и обработке информации теряются в виде тепла.

Группа исследователей из Франции и России разработала магнитоэлектрическую ячейку памяти с произвольным доступом (MELRAM), которая имеет потенциал для повышения энергоэффективности и тем самым уменьшает количество тепловых потерь на порядки для операций считывания при комнатной температуре. Исследование может помочь в производстве таких устройств, как мгновенно включаемые ноутбуки, флэш-накопителей с низким уровнем потребления и центров хранения данных, которые требуют гораздо меньшего охлаждения.

Миллиарды транзисторов теперь могут быть вытравлены на одиночных чипах размером с копейку, но в какой-то момент увеличение их числа для еще большей производительности на том же пространстве будет невозможно. Такая плотность этих наноскопических транзисторов приводит к нежелательному нагреву наряду и взаимодействиями на квантовом уровне, которые теперь должны устраняться.

В течение последних нескольких лет научные исследования для изучения магнитных свойств электронов в явлении, называемом магнитоэлектрическим эффектом, увеличились. Этот эффект, часто представляющий интерес в области исследований, известной как спинтроника, использует спин электрона, а не его заряд. Спином можно потенциально манипулировать на шкалах меньшего размера, используя гораздо меньше энергии.

Большинство усилий было сосредоточено на снижение энергии операций записи в магнитных запоминающих устройствах, поскольку эти операции обычно используют больше энергии, чем операции чтения. В 2010 году та же французская и российская команда показала, что комбинация магнитоупругих и пьезоэлектрических материалов в ячейке магнитоэлектрической памяти может позволить 100-кратное уменьшение энергии, необходимой для процесса записи. В последней работе исследователи показывают, что тот же принцип магнитоэлектричества также может использоваться для операций чтения со сверхнизким потреблением энергии.

Ядро ячейки памяти MELRAM основано на объединении свойств двух типов материалов путем их механического соединения. Магнитные сплавы, один – на основе комбинации тербиум-кобальта, а другой – железа и кобальта, толщиной несколько нанометров сложены друг над другом. Сплавы образуют магнитоупругий нанокомпозитный материал, магнитные спины которого реагируют на механические нагрузки.

Затем эти сплавы помещают на пьезоэлектрическую подложку, состоящую из релаксорных сегнетоэлектриков, экзотических материалов, которые изменяют свою форму или размеры, когда они подвергаются воздействию электрического поля.

«Вместе эти материалы представляют собой мультиферроидные (сегнетомагнетики) гетероструктуры, в которых управление магнитными свойствами становится возможным благодаря применению электрического напряжения», - сказал Николас Тьерцелин (Nicolas Tiercelin), соавтор статьи и научный сотрудник Национального центра научных исследований (Centre national de la recherche scientifique, CNRS), который проводит исследования в Институте электроники, микроэлектроники и нанотехнологий в Лилле, Франция.

«Многокомпонентный нанокомпозит обеспечивает сильное магнитоэлектрическое взаимодействие при комнатной температуре, - отметил Владимир Преображенский, еще один соавтор работы, директор по исследованиям в Центре волновых исследований Института общей физики им. Прохорова, РАН, в Москве. - Это взаимодействие является основным механизмом управления магнитными состояниями с помощью электрического поля. Эта особенность магнитоэлектрической памяти является источником ее сверхнизкого энергопотребления».