Учёные нашли способ снизить энергию переключения магнитной памяти на несколько порядков

Расчёты показывают, что оптимизированное переключение может потреблять на несколько порядков меньше энергии, чем ряд существующих и перспективных технологий памяти. При этом энергозатраты в моделях приближаются к фундаментальному термодинамическому пределу Ландауэра. Работа опубликована в журнале Advanced Materials.

Важно, однако, что речь пока идёт о теоретической модели и компьютерном моделировании, а не о готовом прототипе памяти.

Магнитный бит можно переключать эффективнее

В магнитной памяти информация кодируется направлением намагниченности. Чтобы изменить состояние бита, необходимо развернуть эту намагниченность — именно этот процесс требует энергии.

Современные магнитные устройства используют различные способы такого переключения, в том числе механизмы на основе спинового переноса и спин-орбитального момента (STT и SOT). Исследователи из Эдинбурга предложили другой подход: вместо заранее заданного импульса рассчитывать оптимальную временную форму управляющего магнитного поля.

Для этого команда Элтона Сантоса применила теорию оптимального управления — математический аппарат, позволяющий найти наиболее эффективную траекторию перехода системы из одного состояния в другое при заданных ограничениях.

В моделях метод применили к ультратонким ван-дер-ваальсовым магнитам. Оптимизированные импульсы обеспечивали быстрое и детерминированное переключение намагниченности при значительно меньшей энергии, чем обычные магнитные импульсы.

От наносекунд к пикосекундам и фемтоджоулям

Расчёты показывают, что оптимизированные импульсы способны переключать магнитное состояние за пикосекундные времена. В опубликованных моделях для различных двумерных магнитных материалов получены существенно меньшие энергозатраты по сравнению с обычным управлением магнитным полем; дальнейшая оптимизация параметров материала, согласно расчётам авторов, потенциально позволяет выйти в диапазон фемтоджоулей.

Здесь важно не смешивать разные показатели. Авторы не утверждают, что существующие компьютеры можно просто перевести на новый режим и получить аналогичную экономию энергии. Результаты относятся к энергии конкретного процесса переключения намагниченности, тогда как энергопотребление реального чипа включает также генерацию управляющих сигналов, передачу энергии, считывание состояния, адресацию и другие операции.

Тем не менее именно снижение энергии переключения является одним из ключевых направлений развития энергоэффективной спинтроники.

Насколько близко можно подойти к пределу Ландауэра

Особый интерес представляет сравнение с пределом Ландауэра. Он задаёт фундаментальную нижнюю границу энергии, необходимой для необратимого стирания одного бита информации при заданной температуре.

Моделирование эдинбургской команды показывает, что оптимизированное магнитное переключение может значительно приблизиться к этому пределу. Но это не означает, что предложенная технология уже работает на самом фундаментальном уровне: предел Ландауэра — теоретическая граница, а реальные устройства сталкиваются с дополнительными потерями и ограничениями.

Именно поэтому следующий этап исследования — экспериментальная проверка предложенных режимов.

Авторы работы разработали рекомендации по конструкции устройств и способам формирования магнитного поля, которые должны помочь перейти от моделирования к эксперименту.

Идея может выйти за пределы магнитной памяти

Исследователи подчёркивают, что сама математическая схема не привязана исключительно к магнитному полю. Теорию оптимального управления можно адаптировать для процессов, в которых намагниченность переключается электрическими токами или сверхбыстрыми лазерными импульсами.

Это расширяет потенциальную область применения подхода — от магнитной памяти до других устройств спинтроники и перспективных систем хранения данных.

Однако главный барьер остаётся прежним: между чрезвычайно эффективным переключением отдельного магнитного состояния в компьютерной модели и реальной энергоэффективной памятью лежит целая цепочка инженерных задач.

Если эксперимент подтвердит расчёты, именно эта разница между энергией физического переключения и энергией всей операции станет следующим испытанием для технологии. Сегодня исследователи показали, как можно приблизить сам процесс переключения к физическому пределу. Теперь предстоит доказать, что подобную эффективность можно получить в работающем устройстве.