Инженеры-электрики из Северо-Западного университета и Университета Мессины в Италии разработали новое устройство магнитной памяти, которое потенциально может поддерживать всплеск вычислений, ориентированных на данные, для которых требуется постоянно увеличивающаяся мощность, объем памяти и скорость.

Основанное на антиферромагнитных материалах (АСМ) устройство является самым маленьким в своем роде из когда-либо демонстрировавшихся и работает с рекордно низким электрическим током для записи данных.

"Рост объема больших данных привел к появлению искусственного интеллекта (ИИ) в облаке и на периферийных устройствах и коренным образом трансформирует вычислительную, сетевую отрасли и отрасли хранения данных", - сказал Педрам Халили из Northwestern, который руководил исследованием. "Однако существующее оборудование не может поддерживать быстрый рост вычислений, ориентированных на данные. Наша технология потенциально могла бы решить эту проблему".

Исследование будет опубликовано 10 февраля в журнале Природная электроника.

Халили - адъюнкт-профессор электротехники и вычислительной техники в Северо-Западной инженерной школе Маккормика. Он руководил исследованием совместно с Джованни Финоккио, адъюнкт-профессором электротехники Мессинского университета. В команду также входил Мэтью Грейсон, профессор электротехники и вычислительной техники в McCormick. Цзячэн Ши и Виктор Лопес-Домингес, которые оба являются сотрудниками лаборатории Халили, были соавторами статьи.

От обещания к вероятному

Хотя искусственный интеллект обещает улучшить многие сферы жизни общества, включая системы здравоохранения, транспорт и безопасность, он может реализовать свой потенциал только в том случае, если компьютеры смогут его поддерживать.

В идеале ИИ нужны все лучшие части современных технологий памяти: что-то столь же быстрое, как статическая оперативная память (SRAM), и с емкостью, аналогичной динамической оперативной памяти (DRAM) или Flash. Вдобавок ко всему, ему также требуется низкое рассеивание мощности.

"Не существует технологии памяти, которая отвечала бы всем этим требованиям", - сказал Халили. "Это привело к так называемому "узкому месту в памяти", которое серьезно ограничивает производительность и энергопотребление приложений искусственного интеллекта сегодня".

Чтобы справиться с этой задачей, Халили и его сотрудники обратились к материалам АСМ. В материалах АСМ электроны ведут себя как крошечные магниты благодаря квантово-механическому свойству, называемому "спином", но сам материал не демонстрирует макроскопической намагниченности, поскольку спины выровнены антипараллельно.

Как правило, запоминающим устройствам требуется электрический ток для сохранения сохраненных данных. Но в АСМ-материалах эту задачу выполняют магнитно упорядоченные спины, поэтому непрерывный электрический ток не требуется. В качестве дополнительного бонуса данные не могут быть стерты внешними магнитными полями. Поскольку плотно упакованные устройства не будут взаимодействовать с магнитными полями, устройства на основе АСМ очень безопасны и их легко масштабировать до небольших размеров.

Легко переносимая технология

Поскольку они по своей сути быстры и безопасны, а также потребляют меньшую мощность, АСМ-материалы были изучены в прошлых исследованиях. Но предыдущие исследователи испытывали трудности с контролем магнитного порядка внутри материалов.

Халили и его команда использовали столбы из антиферромагнитного платино-марганцевого сплава - геометрия, ранее не исследованная. При диаметре всего 800 нанометров эти столбы в 10 раз меньше, чем более ранние устройства памяти на основе АСМ.

Важно отметить, что полученное устройство совместимо с существующими методами производства полупроводников, что означает, что нынешние компании-производители могут легко внедрить новую технологию без необходимости инвестировать в новое оборудование.

"Это приближает АСМ-память - и, следовательно, масштабируемую и высокопроизводительную магнитную память с произвольным доступом (MRAM) - к практическим приложениям", - сказал Халили. "Это большое дело для промышленности, поскольку сегодня существует высокий спрос на технологии и материалы, позволяющие расширить масштабирование и производительность MRAM и увеличить отдачу от огромных инвестиций, которые промышленность уже вложила в эту технологию, чтобы внедрить ее в производство".

Команда Халили уже работает над следующими шагами по переводу в приложения.

"Сейчас мы работаем над дальнейшим уменьшением масштаба этих устройств и улучшением методов считывания их магнитного состояния", - сказал Халили. "Мы также рассматриваем еще более энергоэффективные способы записи данных в АСМ-материалы, такие как замена электрического тока электрическим напряжением, что является сложной задачей, которая может дополнительно повысить энергоэффективность еще на порядок или более".