Gli ingegneri hanno trovato un composto metallico che potrebbe portare forme più efficienti di computer memoria più vicino alla commercializzazione, riducendo l’impronta di carbonio del computing, consentendo un’elaborazione più rapida e consentendo l’addestramento dell’IA su singoli dispositivi anziché su server remoti.
Scheda madre del computer con CPU e slot di memoria visibili – foto illustrativa. Credito immagine: Christian Wiediger tramite Unsplash, licenza gratuita
Nell’ultimo decennio, la richiesta di potenza di calcolo è aumentata in modo esponenziale con l’introduzione di sistemi sempre più complessi intelligenza artificiale (AI) tecnologie.
Nuovi design hardware ad alta efficienza energetica potrebbero aiutare a soddisfare questa domanda riducendo al contempo il consumo di energia del computing, supportando un’elaborazione più rapida e consentendo l’addestramento dell’IA all’interno del dispositivo stesso.
Alla ricerca di una migliore memoria del computer: polarizzazione z-spin non convenzionale nel materiale MnPd3. Credito immagine: The Wang Group, Stanford University
“Secondo me, siamo già passati dall’era di Internet all’era dell’IA”, afferma Shan WangLeland T. Edwards Professor presso la School of Engineering della Stanford University.
“Vogliamo abilitare l’IA on edge, allenandoci localmente sul tuo computer di casa, telefono o smartwatch, per cose come il rilevamento di attacchi di cuore o il riconoscimento vocale. Per farlo, hai bisogno di una memoria molto veloce e non volatile.
Wang ei suoi colleghi hanno recentemente trovato un materiale che potrebbe portare un nuovo tipo di memoria per computer più vicino alla commercializzazione. In un nuovo documento pubblicato In Materiali della naturai ricercatori hanno dimostrato che un sottile strato di un composto metallico chiamato manganese palladio tre aveva le proprietà necessarie per facilitare una forma di memoria di lavoro che memorizza i dati nelle direzioni di spin degli elettroni.
Questo metodo di archiviazione della memoria, noto come memoria ad accesso casuale magnetoresistivo con coppia in orbita di rotazione o SOT-MRAM, ha il potenziale per archiviare i dati in modo più rapido ed efficiente rispetto ai metodi attuali, che utilizzano la carica elettrica e richiedono un input di alimentazione continuo per mantenere tali dati.
“Abbiamo fornito un blocco di base per i futuri elementi di stoccaggio ad alta efficienza energetica”, afferma Wang. “È molto fondamentale, ma è una svolta.”
Un modulo di memoria per computer, RAM – foto illustrativa. Credito immagine: Liam Briese tramite Unsplash, licenza gratuita
Sfruttare lo spin dell’elettrone per la memoria del computer
La memoria SOT-MRAM si basa su una proprietà intrinseca degli elettroni chiamata spin. Per capire la rotazione, immagina un elettrone come un pallone da basket rotante in equilibrio sulla punta del dito di un atleta professionista.
Poiché gli elettroni sono particelle cariche, la rotazione trasforma l’elettrone in un minuscolo magnete, polarizzato lungo il suo asse (in questo caso, una linea che si estende dal dito che tiene in equilibrio la sfera). Se l’elettrone cambia direzione di rotazione, i poli nord-sud del magnete cambiano.
I ricercatori possono utilizzare la direzione verso l’alto o verso il basso di quel magnetismo, noto come momento di dipolo magnetico, per rappresentare gli uno e gli zeri che compongono i bit e i byte dei dati del computer.
In SOT-MRAM, una corrente che scorre attraverso un materiale (lo strato SOT) genera specifiche direzioni di rotazione.
Il movimento di quegli elettroni, insieme alle loro direzioni di spin, crea una coppia che può cambiare le direzioni di spin e i momenti di dipolo magnetico associati degli elettroni in un materiale magnetico adiacente. Con i materiali giusti, memorizzare i dati magnetici è semplice come cambiare la direzione di una corrente elettrica nello strato SOT.
Spintronica – concetto artistico. Credito immagine: Creatività103 via FlickrCC BY 2.0
Ma trovare i giusti materiali SOT non è facile. A causa del modo in cui è progettato l’hardware, i dati possono essere archiviati in modo più denso quando le direzioni di spin degli elettroni sono orientate verso l’alto o verso il basso nella direzione z. (Se immagini un panino su un piatto, le direzioni x e y seguono i bordi del pane e la direzione z è lo stuzzicadenti infilato nel mezzo.)
Sfortunatamente, la maggior parte dei materiali polarizza gli spin degli elettroni nella direzione y se la corrente scorre nella direzione x.
“I materiali convenzionali generano rotazione solo nella direzione y, il che significa che avremmo bisogno di un campo magnetico esterno per far sì che la commutazione avvenga nella direzione z, che richiede più energia e spazio”, afferma Fen Xue, ricercatrice post-dottorato nel laboratorio di Wang.
“Allo scopo di abbassare l’energia e avere una maggiore densità di memoria, vogliamo essere in grado di realizzare questa commutazione senza un campo magnetico esterno.”
I ricercatori hanno scoperto che il manganese palladio tre ha le proprietà di cui hanno bisogno. Il materiale è in grado di generare spin in qualsiasi orientamento perché la sua struttura interna manca del tipo di simmetria cristallina che forzerebbe tutti gli elettroni in un particolare orientamento.
Utilizzando manganese palladio tre, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare la commutazione della magnetizzazione in entrambe le direzioni y e z senza bisogno di un campo magnetico esterno.
Sebbene non dimostrata nel manoscritto, la magnetizzazione in direzione x può anche essere commutata in assenza di campo magnetico esterno.
“Abbiamo la stessa corrente di ingresso di altri materiali convenzionali, ma ora abbiamo tre diverse direzioni di rotazione”, afferma Mahendra DC, che ha condotto il lavoro come ricercatore post-dottorato a Stanford ed è il primo autore dell’articolo. “A seconda dell’applicazione, possiamo controllare la magnetizzazione in qualsiasi direzione desideriamo.”
DC e Wang attribuiscono credito alla collaborazione multidisciplinare e multiistituzionale che ha consentito questi progressi.
“Il laboratorio di Evgeny Tsymbal presso l’Università del Nebraska ha condotto i calcoli per prevedere le direzioni di rotazione e il movimento inaspettati e il laboratorio di Julie Borchers presso il National Institute of Standards and Technology ha condotto le misurazioni e gli sforzi di modellazione per rivelare le intricate microstrutture all’interno del manganese palladio tre”, afferma Wang. “Ci vuole davvero un villaggio.”
Possibilità di produzione
Oltre alla sua struttura di rottura della simmetria, il manganese palladio tre ha diverse altre proprietà che lo rendono un ottimo candidato per le applicazioni SOT-MRAM. Può, ad esempio, sopravvivere e mantenere le sue proprietà attraverso il processo di post-ricottura che l’elettronica deve affrontare.
“La post-ricottura richiede che l’elettronica sia a 400 gradi Celsius per 30 minuti”, afferma DC. “Questa è una delle sfide per i nuovi materiali in questi dispositivi, e il manganese palladio tre può farcela”.
Inoltre, lo strato di manganese palladio tre viene creato utilizzando un processo chiamato magnetron sputtering, una tecnica già utilizzata in altri aspetti dell’hardware di archiviazione della memoria.
“Non sono necessari nuovi strumenti o nuove tecniche per questo tipo di materiale”, afferma Xue. “Non abbiamo bisogno di un substrato strutturato o di condizioni speciali per depositarlo”.
Il risultato è un materiale che non solo ha nuove proprietà che potrebbero aiutare a soddisfare i nostri crescenti requisiti informatici, ma può adattarsi perfettamente alle attuali tecniche di produzione. I ricercatori stanno già lavorando su prototipi di SOT-MRAM utilizzando manganese palladio tre che si integreranno in dispositivi reali.
“Stiamo colpendo un muro con la tecnologia attuale”, afferma DC. “Quindi dobbiamo capire quali altre opzioni abbiamo.”
Fonte: Università di Stanford
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org