Спинтроника — следующий шаг в электронике

Прямо сейчас совершается одна очень интересная революция, захватывающая области физики и наноэлектроники, которая, в итоге, даст новый способ хранения информации, с задействованием квантовой характеристики электрона — его «спина». Что же это такое?

О спинтронике, популярно

Называется это направление «спинтроникой» и некоторые даже поэтически называют это направление производным от электроники, своеобразным её «детищем» — более сложным, более совершенным. 

Интересно направление тем, что активное развитие оно получило только в последние годы несмотря на то, что основы его были заложены ещё в 1922 году XX века, с момента открытия Отто Штерном и Вальтером Герлахом самого понятия «спина» у электрона. 

Причиной такого активного развития этого направления в последние годы явилось то, что один за другим были последовательно открыт целый ряд интересных эффектов в области спинтроники, давших новые возможности в области технологий:

• GMR (гигантское магнитосопротивление): благодаря его открытию, удалось разработать высокочувствительные головки жёстких дисков;

• TMR (туннельное магнитосопротивление) — позволил создать магниторезистивную память ^[1] (MRAM);

• Спиновой эффект Холла — позволил освоить манипуляцию положением спинов, без применения магнитного поля.

Первые два эффекта интересны тем, что позволяют манипулировать сопротивлением материалов, в зависимости от положения спинов, а третий тем, что позволяет генерировать в материале потоки электронов, со спинами, развёрнутыми противоположно друг другу — это позволяет кодировать информацию в материале, уже с помощью направления спинов, а не наличия/отсутствия зарядов, что, в свою очередь, позволяет реализовывать спинтронные микропроцессоры, причём, что интересно, такое манипулирование не требует применения громоздких магнитов (что интересно уже само по себе).

Такой подход лучше существующих, так как:

• он гораздо более энергоэффективный, потому что манипулирование спинами требует меньших энергозатрат, чем перемещение зарядов;

• может осуществляться с очень большими скоростями (вплоть до терагерц);

• хранение таких данных не боится отключения энергии, а также внешних воздействий, наподобие воздействия радиации или экстремальных температур.

Но всё же, давайте определимся, а что же такое «спин», о котором мы постоянно говорим?

Под ним понимается квантовое свойство электрона, благодаря которому, электрон имеет магнитный момент, что позволяет рассматривать его как очень маленький магнитик, имеющий северный и южный полюса.

Техническими средствами (с помощью тока/напряжения или магнитного поля (если идти классическим путём)), может быть осуществлён поворот спинов, причём, что интересно, в классической цифровой спинтронной технике, этот поворот обычно осуществляется на 180° (для хранения нуля или единицы), в то время как, на самом деле, существует возможность менять этот угол не так резко, а плавно, на произвольное значение.

На этом моменте, никому ничего не напоминает, для чего это можно применить? ;-) 

Хорошо, тогда подскажу: для хранения «весов» нейросетевых систем, что позволяет реализовывать «железные» — т. е. аппаратные нейросети!

Что интересно: такие нейросети работают гораздо быстрее, чем классические, на базе GPU, и, требуют в тысячи раз ^[2]меньше затрат электроэнергии (потому что, как выше уже упоминалось, — изменение угла поворота спина требует гораздо меньше энергии, чем движение электронов). 

Да, такие устройства пока ещё не являются массовыми, однако, всё это происходит практически в данный момент — скажем, ещё с 2013 года появляются первые упоминания ^[3] о появлении спинтронных процессоров, а, в настоящее время, уже известно о внедрении таких технологий ведущими производителями (по некоторым данным, внедрение таких решений позволяет ускорить работу нейросетей вплоть до 70 раз и более).

И это было бы как нельзя кстати, так как известно, что архитектура современных компьютерных систем, предложенная в своё время ещё Фон Нейманом ^[4] существенно уступает биологическому аналогу (человеческому мозгу ^[5]), как минимум, по энергопотреблению: те задачи, которые решает человеческий мозг, потребляя всего лишь 20 Вт энергии ^[6] — оставляет позади по производительности даже существующие искусственные суперкомпьтеры, с потреблением энергии в сотни мегаватт!

Также, несмотря на всю мощь, скажем, запущенного в 2022 году суперкомпьютера Frontier ^[7] — он соответствует всего лишь 1 проценту возможностей мозга! 

Так получается, потому что конструкция мозга и его принципы функционирования остаются недостижимым идеалом для большинства компьютерных систем:

• параллельная работа 100 триллионов синапсов;

• не требует пересчёта весов для обучения ^[8] (а это — весьма энергозатратная и продолжительная процедура);

• примерно в тысячу раз превосходит искусственные системы по энергоэффективности на одну операцию.

К слову, некоторые учёные говорят, что уже 2040-2050 годам затраты электроэнергии на обработку информации станут настолько большими, что станут равняться энергозатратам на все другие виды деятельности вместе взятые, и даже если взять один из компонентов для рассмотрения (энергоэффективность вычислительных процессов), то улучшение даже этого показателя уже выглядит привлекательным (не говоря уже обо всём другом).

Спинтронные структуры — какие они?

Наиболее распространённым типом спинтронных конструкций является своеобразный «бутерброд», где между слоями ферромагнитного материала зажат слой с немагнитными свойствами. 

Для управления спинами в таких бутербродах используется 3 подхода:

1. Управление силой пропускаемого тока (Spin Transfer Torque (STT)): используется для переключения таких материалов (например, CoFeB), которые требуют существенных усилий для переворота спина. Метод появился примерно в начале 2000-х годов и для переключения в его рамках требуется относительно большая величина токов, которая находится в пределах 10⁶ А/см² (в реальности, это микроамперы, так как переключаемые элементы (электроны) тоже очень маленькие);

2. Управление величиной напряжения (Voltage-Controlled Magnetic Anisotropy (VCMA)): так же позволяет переключать спины и требует для этого довольно малых токов (наноамперы), тогда как основная работа осуществляется напряжением, находящимся в пределах, примерно 2 Вольт. Метод появился примерно в начале 2010-х годов.

Суть обоих рассмотренных выше методов заключается в том, что при замыкании электрической цепи, частью которой являются все компоненты «бутерброда», — электрический ток проходит через все компоненты, в ходе чего происходит «поляризация» электронов — то есть, они разворачивают свои спины согласно протекающему току, где, в одном случае, для осуществления этого разворота, используется сила тока, а в другом — величина напряжения.

При этом, после размыкания цепи, электроны сохраняют своё положение в поляризованном состоянии — то есть запоминают своё положение, и поэтому технология является энергонезависимой.

Кроме этих двух, есть ещё и третий способ, однако, на данный момент считается устаревшим — в рамках него, использовалось внешнее магнитное поле и катушки его продуцирующие (из-за них вся конструкция получалась достаточно громоздкой), где благодаря этому полю, проникающему в материал и происходил разворот спинов.

Подобная структура «бутерброда» является исторически самой первой, появившись ещё в 1980-х годах, во время экспериментов Альберта Ферта и Питера Грюнберга, где они использовали конструкцию Fe/Cr/Fe, благодаря чему было как раз и открыто гигантское магнитосопротивление (GMR) и за это открытие они получили Нобелевскую премию в 2007 году, а сам принцип лёг в основу хранения информации в жёстких дисках (в считывающих головках механических жестких дисков) и работы магниторезистивной оперативной памяти (MRAM) ^[9], которая, по некоторым данным, несколько дороже существующих типов, поэтому пока массово не используется, однако, уже начинает применяться в нишевых задачах, благодаря своим свойствам — энергонезависимость, устойчивость к перепадам температур и радиации: элементы промышленной автоматизации, бортовые компьютеры автомобилей, космическая отрасль.

Кстати, многим энтузиастам наверняка будет интересно узнать, что применение спинтронного типа памяти уже тестируется в некоторых микроконтроллерах, в виде производства микроконтроллеров с такой памятью в небольших сериях.

Например, в частности, известно о применении MRAM в STM32H5/STM32U5 — где первые тесты начались в 2022 году, а сама память нового типа стала использоваться в кэш-памяти процессора, что даёт мгновенный старт, без относительно долгой загрузки из flash (если сравнивать с предыдущим вариантом — стало менее 1 мкс, а было до 500 мкс; скорость записи — до 50 нс, против 100 мкс в предыдущем варианте). 

Кроме того, благодаря такому типу памяти, промышленные типы микроконтроллеров (на STM M32H5) получили энергонезависимую память, где данные могут достаточно надёжно сохраняться на случай сбоя. 

По некоторым данным, уже к 2026-2027 годам, ожидается вывод технологий спинтронной памяти на более массовые рынки.

В известном многим микроконтроллере esp32 такой памяти ещё нет — этот микроконтроллер пока слишком бюджетный для внедрения таких решений. Но кто знает…;-)

Кроме рассмотренной «бутербродной» технологии, есть ещё и альтернативные — так называемые «скирмионы» и«антиферромагнетики» — где главное отличие от «бутербродной» технологии заключается в управлении спинами по всей толще материала, что, в теории, позволяет создать сверхплотную память, в отличие от «бутербродной», где управление идёт на границе материала.

Эти альтернативы не являются единственным возможными, так как существуют ещё, например, так называемые «2D материалы», например, графен, с атомами металлов, где управление осуществляется электрическим полем, а потери энергии являются минимальными за счёт атомарно тонких слоёв.

В конце статьи, можно отметить, что спинтронные технологии являются весьма прогрессивными и дают много возможностей — поэтому, не зря, спинтронику называют «следующим шагом в электронике».

Если кому интересно более глубоко почитать об использовании спинтронных технологий в компьютерных вычислениях, то вот здесь ^[10] есть достаточно большое количество интересных статей на эту тему.