Математика приблизила магнитную память к пределу энергозатрат
Физики нашли способ резко снизить энергозатраты на переключение магнитной памяти без поиска принципиально нового механизма записи. Главный выигрыш дала математика: вместо обычного магнитного импульса исследователи рассчитали форму поля, которая ведет магнитную систему к нужному состоянию по наиболее экономичной траектории. Компьютерное моделирование показало снижение затрат энергии вплоть до нескольких порядков в зависимости от режима и технологии, с которой проводится сравнение.
Команда Эдинбургского университета применила теорию оптимального управления к магнитам Ван-дер-Ваальса Fe₃GaTe₂, Fe₃GeTe₂ и CrSBr. Подобные материалы состоят из очень тонких слоев, слабо связанных между собой, и рассматриваются как перспективная основа для компактных устройств спинтроники.
Запись информации в магнитной памяти требует перевести намагниченность из одного устойчивого состояния в другое. Обычный подход фактически заставляет магнит преодолевать энергетический барьер с помощью достаточно сильного поля. Теория оптимального управления решает задачу иначе: алгоритм рассчитывает, как должны меняться направление и величина магнитного поля во времени, чтобы использовать собственную динамику спинов и минимизировать энергию управляющего импульса.
В моделировании оптимизированные импульсы обеспечивали переключение за время от одной до десяти пикосекунд. Для трех исследованных материалов затраты составляли от 9,7 до 0,94 нДж, тогда как обычные протоколы с магнитным полем требовали от 91,2 до 42,8 нДж. Амплитуду поля в отдельных сценариях удалось уменьшить более чем в десять раз. Например, для CrSBr обычное переключение за 126 пикосекунд требовало пикового поля около одного тесла, а рассчитанный импульс позволял добиться сравнимого результата при 0,11 тесла.
Дополнительный выигрыш появляется при увеличении времени переключения и выборе материалов с небольшим магнитным затуханием. Для модельного магнита размером 5 на 5 нм расчеты дали около девяти фДж при длительности операции шесть наносекунд и около 2,4 фДж при 20 наносекундах. В одном из рассмотренных режимов энергозатраты снизились до 1,91 фДж при длительности 25 наносекунд.
Авторы сопоставили полученные значения с опубликованными показателями SRAM, DRAM, STT-MRAM, SOT-MRAM и других технологий памяти. Для DRAM характерные значения в используемой авторами выборке лежали примерно в диапазоне от 390 до 110 000 фДж при времени операции от 12 до 20 наносекунд. STT-MRAM в субнаносекундном диапазоне обычно требовала десятки или сотни фемтоджоулей, а SOT-MRAM в рассмотренных работах расходовала сотни и тысячи фемтоджоулей. Сравнение показывает потенциальное преимущество метода, но не означает, что расчетный магнитный элемент уже превосходит готовые микросхемы: размеры устройств, способы записи, условия экспериментов и методика подсчета энергии различаются.
Исследователи также применили оптимизацию к скирмиону, компактной устойчивой конфигурации магнитных спинов. Алгоритм нашел путь разрушения скирмиона с выбросом концентрических спиновых волн. В одном из режимов расчетная энергия стирания составила 8,8 фДж за 4,7 наносекунды. Результат показывает, что математический подход подходит не только для простого переворота однородной намагниченности, но и для управления более сложными магнитными структурами.
Отдельный интерес вызывает приближение энергозатрат к фундаментальным ограничениям вычислительной техники. В материалах Эдинбургского университета результаты связывают с движением в сторону предела Ландауэра, который задает минимальное количество тепла, неизбежно выделяемого при необратимом стирании одного бита информации. Расчетные фемтоджоулевые значения пока не означают достижения физического предела, но сокращают разрыв между практическими операциями с памятью и фундаментальной границей.
Работа пока остается вычислительной. Оптимальные траектории в основном рассчитывались без тепловых флуктуаций, а влияние температуры отдельно проверялось для обычного переключения CrSBr при 4 и 10 К. Авторы считают учет температуры внутри самой процедуры оптимизации одним из следующих этапов, поскольку реальная память должна надежно работать при тепловом шуме, разбросе параметров и технологических дефектах.
Для экспериментальной проверки физики предлагают размещать магнитный слой рядом с микрокатушкой, полосковой линией или копланарным волноводом и формировать рассчитанные импульсы генератором произвольной формы либо фотопроводящим переключателем. После однократной оптимизации для конкретного материала и геометрии устройству не потребуется заново решать математическую задачу при записи каждого бита: подход позволяет заранее сформировать небольшой набор повторно используемых импульсов.
Математическая схема не ограничена магнитным полем. Авторы указывают, что аналогичный метод можно перенести на электрические токи, спин-орбитальный и спин-переносный крутящий момент, управление магнитной анизотропией напряжением и сверхкороткие лазерные импульсы. Практическая проверка покажет, удастся ли сохранить расчетный выигрыш после учета генераторов импульсов, тепловых потерь и всей управляющей электроники.