斯坦福大學(xué)：一種新材料可以實現(xiàn)更高效的基于磁鐵的計算機(jī)存儲器
工程師們發(fā)現(xiàn)了一種金屬化合物，可以使更有效的計算機(jī)內(nèi)存形式更接近商業(yè)化，減少計算的碳足跡，實現(xiàn)更快的處理速度，并允許在單個設(shè)備上而不是遠(yuǎn)程服務(wù)器上進(jìn)行人工智能訓(xùn)練。
在過去的十年中，隨著日益復(fù)雜的人工智能（AI）技術(shù)的引入，對計算能力的需求呈指數(shù)級增長。新的節(jié)能硬件設(shè)計可以幫助滿足這一需求，同時減少計算的能源使用，支持更快的處理，并允許在設(shè)備本身內(nèi)進(jìn)行人工智能訓(xùn)練。
自旋軌道扭矩磁阻隨機(jī)存取存儲器（SOT-MRAM）有可能比當(dāng)前方法更快，更有效地存儲數(shù)據(jù)，當(dāng)前方法使用電荷存儲數(shù)據(jù)，并且需要連續(xù)的電源輸入來維護(hù)該數(shù)據(jù)。 （圖片來源：Shutterstock/raigvi）
“在我看來，我們已經(jīng)從互聯(lián)網(wǎng)時代過渡到人工智能時代，”斯坦福大學(xué)工程學(xué)院利蘭·T·愛德華茲教授王珊說?！拔覀兿Ｍ谶吘墕⒂萌斯ぶ悄?- 在您的家用計算機(jī)，手機(jī)或智能手表上進(jìn)行本地訓(xùn)練 - 用于心臟病發(fā)作檢測或語音識別等。要做到這一點，你需要一個非?？焖俚姆且资源鎯ζ?。
Wang和他的同事近發(fā)現(xiàn)了一種材料，可以使一種新型記憶更接近商業(yè)化。在《自然材料》雜志上發(fā)表的一篇新論文中，研究人員證明，一種叫做錳鈀三的金屬化合物的薄層具有必要的特性，以促進(jìn)一種以電子自旋方向存儲數(shù)據(jù)的工作記憶形式。這種存儲器存儲方法，稱為自旋軌道扭矩磁阻隨機(jī)存取存儲器或SOT-MRAM，有可能比當(dāng)前方法更快，更有效地存儲數(shù)據(jù)，當(dāng)前方法使用電荷存儲數(shù)據(jù)，并且需要連續(xù)的功率輸入來維護(hù)該數(shù)據(jù)。
“我們?yōu)槲磥淼墓?jié)能存儲元件提供了基本的構(gòu)建模塊，”王說?！斑@是非常基礎(chǔ)的，但這是一個突破。
利用電子自旋
SOT-MRAM依賴于電子的內(nèi)在特性，稱為自旋。為了理解旋轉(zhuǎn)，將電子想象成一個旋轉(zhuǎn)的籃球，平衡在職業(yè)運(yùn)動員的手指末端。因為電子是帶電粒子，旋轉(zhuǎn)將電子變成一個微小的磁鐵，沿其軸極化（在這種情況下，從手指延伸的一條線平衡球）。如果電子開關(guān)旋轉(zhuǎn)方向，磁鐵的南北極就會開關(guān)。研究人員可以使用磁性的向上或向下方向（稱為磁偶極矩）來表示構(gòu)成計算機(jī)數(shù)據(jù)位和字節(jié)的 1 和 0。
MnPd3材料中的非常規(guī)z自旋極化。 （圖片來源：王氏集團(tuán)）
在SOT-MRAM中，流過一種材料（SOT層）的電流產(chǎn)生特定的自旋方向。這些電子的運(yùn)動，加上它們的自旋方向，產(chǎn)生一個扭矩，可以切換相鄰磁性材料中電子的自旋方向和相關(guān)磁偶極矩。使用正確的材料，存儲磁性數(shù)據(jù)就像切換SOT層中的電流方向一樣簡單。
但找到合適的SOT材料并不容易。由于硬件的設(shè)計方式，當(dāng)電子自旋方向在z方向上向上或向下定向時，可以更密集地存儲數(shù)據(jù)。（如果你想象盤子里的三明治，x和y方向沿著面包的邊緣，z方向是穿過中間的牙簽。不幸的是，如果電流在x方向上流動，大多數(shù)材料會在y方向上極化電子自旋。
“傳統(tǒng)材料只在y方向上產(chǎn)生自旋 - 這意味著我們需要一個外部磁場來使z方向的開關(guān)發(fā)生，這需要更多的能量和空間，”王實驗室的博士后研究員Fen Xue說?！盀榱私档湍芰坎⒕哂懈呙芏鹊膬?nèi)存，我們希望能夠在沒有外部磁場的情況下實現(xiàn)這種切換。
研究人員發(fā)現(xiàn)，錳鈀三具有它們所需的特性。這種材料能夠在任何方向上產(chǎn)生自旋，因為它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺乏那種會迫使所有電子進(jìn)入特定方向的晶體對稱性。使用錳鈀三，研究人員能夠證明在y和z方向上的磁化切換，而無需外部磁場。雖然手稿中沒有證明，但X方向磁化也可以在沒有外部磁場的情況下切換。
“我們的輸入電流與其他傳統(tǒng)材料相同，但我們現(xiàn)在有三個不同的自旋方向，”Mahendra DC說，他是斯坦福大學(xué)的博士后研究員，也是該論文的作者?！案鶕?jù)應(yīng)用的不同，我們可以將磁化控制在我們想要的任何方向上。
DC和Wang贊揚(yáng)了多學(xué)科和多機(jī)構(gòu)的合作，使這些進(jìn)步成為可能?！皟?nèi)布拉斯加大學(xué)的Evgeny Tsymbal實驗室領(lǐng)導(dǎo)了預(yù)測意外自旋方向和運(yùn)動的計算，美國標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的Julie Borchers實驗室領(lǐng)導(dǎo)了測量和建模工作，以揭示錳鈀三中復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，”王說?！斑@真的需要一個村莊。
制造可能性
除了其對稱性破壞結(jié)構(gòu)外，錳鈀三還具有其他一些特性，使其成為SOT-MRAM應(yīng)用的候選者。例如，它可以通過電子設(shè)備需要經(jīng)歷的退火后過程來生存并保持其特性。
“退火后要求電子設(shè)備在400攝氏度下30分鐘，”DC說?！斑@是這些設(shè)備中新材料面臨的挑戰(zhàn)之一，錳鈀三可以處理這個問題。
此外，錳鈀三層是使用稱為磁控濺射的工藝創(chuàng)建的，這是一種已經(jīng)在內(nèi)存存儲硬件的其他方面使用的技術(shù)。
“這種材料不需要新的工具或新技術(shù)，”薛說?！拔覀儾恍枰屑y理的基材或特殊條件來沉積它。
其結(jié)果是一種材料，不僅具有新穎的特性，可以幫助滿足我們不斷增長的計算需求，而且可以順利地適應(yīng)當(dāng)前的制造技術(shù)。研究人員已經(jīng)在研究使用錳鈀三的SOT-MRAM原型，這些原型將集成到實際設(shè)備中。
“我們正在用當(dāng)前的技術(shù)碰壁，”DC說?！八晕覀儽仨毰宄覀冞€有什么其他選擇。
