دانشمندان ژاپنی موفق شده‌اند نوعی حافظه مغناطیسی با گشتاور اسپین-مداری (SOT-MRAM) بسازند که ۳۵ درصد توان الکتریکی کمتری برای نوشتن داده مصرف می‌کند.
به گزارش تکناک، پژوهشگران مرکز سامانه‌های الکترونیکی مجتمع نوآور (CIES) در دانشگاه Tohoku با هدایت دکتر تتسوئو اندو، استاد مهندسی برق و مدیر CIES و دکتر هیدئو اونو، استاد فیزیک و رئیس پیشین دانشگاه، دو چالش اساسی فناوری SOT-MRAM شامل توان الکتریکی بالا برای نوشتن داده و نیاز به میدان مغناطیسی خارجی برای تغییر وضعیت مغناطیسی را برطرف کردند.
این تیم در سال ۲۰۱۹ موفق شد با طراحی نوعی SOT-MRAM مایل (canted)، فرایند نوشتن داده بدون نیاز به میدان مغناطیسی و با سرعت بالا تا ۰٫۳۵ نانوثانیه را ممکن کند.
اکنون این پژوهشگران تمرکز خود را بر کاهش توان الکتریکی برای نوشتن داده در حافظه مغناطیسی، بدون لطمه به سرعت و دوام بالای فناوری، معطوف کرده‌اند.
به گفته این تیم تحقیقاتی، با رشد تقاضا برای مدارهای مجتمع (IC) پرقدرت، مصرف انرژی به یکی از محدودیت‌های اصلی حافظه‌های رایج مانند SRAM و DRAM تبدیل شده است، که حتی در حالت آماده‌به‌کار نیز انرژی مصرف می‌کنند.
در مقابل، حافظه مغناطیسی با بهره‌گیری از ویژگی‌های مغناطیسی داده‌ها را ذخیره می‌کند و به دلیل ماهیت غیرفرار آنها، از بهره‌وری انرژی بسیار بالاتری برخوردار هستند. نوع SOT-MRAM به طور خاص، به دلیل عدم آسیب‌پذیری لایه مغناطیسی در فرایند نوشتن داده، گزینه‌ای مناسب برای جایگزینی SRAM در سیستم‌های آینده محسوب می‌شود.
اندو با اشاره به موفقیت پژوهش پیشین در حذف نیاز به میدان مغناطیسی گفت: «برای پیشبرد این فناوری در راستای نیازهای جامعه‌ای مبتنی بر هوش مصنوعی و اینترنت اشیا، این مطالعه برای حل مشکل توان الکتریکی مورد نیاز برای نوشتن داده انجام شد.»
تیم تحقیقاتی با اصلاح ساختار دستگاه و خواص مغناطیسی در حافظه‌های SOT مایل، بر زاویه انحراف مغناطیسی و ناهمسانگردی لایه آزاد تمرکز کرد. آنها با شبیه‌سازی‌های میکرومغناطیسی، این پارامترها را برای کاهش مصرف انرژی در زمان نوشتن داده بهینه‌سازی کردند.
(b) ویژگی‌های سوییچینگ با زمان ۰٫۳۵ نانوثانیه، به زاویه مایل مغناطیسی در دستگاه‌های SOT وابسته هستند. با تغییر زاویه مایل، عملکرد سوییچینگ نیز به طور محسوسی تغییر می‌کند، به طوری که زاویه‌های خاصی باعث بهینه‌سازی سرعت و پایداری فرایند سوییچینگ می‌شوند.
نتیجه این تلاش، دستیابی به توان الکتریکی بی‌سابقه ۱۵۶ فمتوژول برای نوشتن داده در دستگاه‌های SOT با زاویه مغناطیسی مایل ۷۵ درجه بود که با فرایند ساخت ویفر ۳۰۰ میلی‌متری تولید شدند.
این حافظه ها توانستند بدون نیاز به میدان مغناطیسی و در زمان ۰٫۳۵ نانوثانیه، توان الکتریکی برای نوشتن داده را ۳۵ درصد کاهش دهند و در عین حال پایداری حرارتی (E/kBT) برابر با ۷۰ و نسبت مقاومت مغناطیسی تونلی (TMR) معادل ۱۷۰ درصد را حفظ کنند.
به گفته پژوهشگران، این نتایج می‌توانند راهنمای توسعه حافظه‌های SOT مایل کم‌مصرف، پرسرعت و بدون نیاز به میدان خارجی برای کاربردهای تجاری باشند.
این گروه معتقد است که به کارگیری فناوری SOT-MRAM می‌تواند مسیر را برای الکترونیک‌های پرسرعت و کم‌مصرف هموار کند و زمینه‌ساز نسل آینده سیستم‌های محاسباتی پیشرفته شود. یافته‌های آنها در کارگاه بین‌المللی حافظه IEEE 2025 در مونتری، آمریکا ارائه خواهد شد.
