Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Spintroniczny memrystor

Recommended Posts

W ubiegłym roku HP zaprezentowało czwarty podstawowy element elektroniczny - memrystor. Teraz badacze z Seagate Technology opisali teoretyczne podstawy budowy magnetycznego (spintronicznego) memrystora.

Yiran Chen i Xiaobin Wang opracowali trzy typy memrystora. W jednym z nich spin części elektronów jest zwrócony w inną stronę, niż spin reszty, tworząc w ten sposób ścianę domeny. Elektrony przepływające przez memrystor posiadają pewien spin, który zmienia stan magnetyczny urządzenia. To z kolei przesuwa ścianę domeny i zmienia oporność urządzenia.

Dwa pozostałe pomysły zakładają szybkie przełączanie memrystora pomiędzy stanami wysokiej i niskiej oporności. Przełączanie mogłoby odbywać się z różną prędkością, od piko- do mikrosekund, w zależności od zastosowań. Jeśli np. wykorzystamy memrystor do budowy dysku twardego, potrzebne byłoby przełączanie mierzone w pikosekundach. Jeśli zaś zbudujemy z niego miernik promieniowania - w mikrosekundach.

Inżynierowie Seagate'a zapewniają, że spintroniczny memrystor jest łatwy do wyprodukowania i bez problemu można umieścić go w urządzeniu CMOS.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      W tzw. magnetyczny grafenie zauważono nieznany dotychczas rodzaj magnetyzmu. Jego odkrycie pomoże lepiej zrozumieć zjawisko nadprzewodnictwa w tym niezwykłym materiale. Odkrycia dokonali naukowcy z University of Cambridge, którym udało się kontrolować przewodnictwo i magnetyzm tiofosforanu żelaza (FePS3), dwuwymiarowego materiału, który gdy jest ściskany zmienia swoje właściwości z izolujących po przewodzące.
      Brytyjczycy, wykorzystując wysokie ciśnienie, wykazali,, co dzieje się w magnetycznym grafenie podczas przejścia z izolatora do przewodnika oraz w jego stanie metalicznym. Badania wykazały, że podczas przechodzenia w metal materiał nie traci swoich właściwości magnetycznych. Może to być wskazówką, jak działa przewodnictwo elektryczne w metalach. Nowo odkryta faza magnetyczna może być prekursorem nadprzewodnictwa, zatem odkrycie może mieć kolosalne znacznie dla zrozumienia teo zjawiska.
      Autorzy badań sugerują też metodę przygotowywania materiału tak, by był zarówno przewodnikiem, jak i wykazywał właściwości magnetyczne, co może być przydatne w rozwoju nowych technologii np. spintroniki.
      Wiemy, że właściwości materii mogą ulegać znaczącym zmianom pod wpływem zmian w strukturze atomowej i jej organizacji przestrzennej. Na przykład grafen, diament, węglowe nanorurki i grafit wszystkie są zbudowane z atomów węgla, jednak dzięki różnej strukturze mają odmienne właściwości.
      Wyobraźmy sobie, że możemy zmienić wszystkie te właściwości dodają magnetyzm. Materiał, który były elastyczny pod względem mechanicznym i pozwoliłby na utworzenie nowych obwodów służących przechowywaniu informacji i przeprowadzaniu obliczeń. To dlatego właśnie materiały te są tak interesujące. Gdy poddamy je wysokiemu ciśnieniu możemy w sposób kontrolowany zmieniać ich zachowanie, mówi główny autor badań, Matthew Coak z Cavendish Laboratory na University of Cambridge.
      Już podczas wcześniejszych badań Sebastian Haines z Cavendish Laboratory stwierdził, że tiofosforan żelaza poddany wysokiemu ciśnieniu zmienia się metal. Opisał też jego strukturę krystaliczną oraz zachodzące w niej zmiany. Brakowało jednak badań nad magnetyzmem, stwierdza Coak. Jako, że nie istniała żadna technika, która pozwalałaby badać magnetyzm w tym materiale przy tak wysokim ciśnieniu, musieliśmy opracować własną metodę, dodaje.
      Zespół Coaka, po opracowaniu odpowiedniej techniki, zaczął przyglądać się, co dzieje się z magnetyzmem FePS3 poddawanemu coraz większemu ciśnieniu. Ku naszemu zdumieniu właściwości magnetyczne zostały zachowane, nawet w pewien sposób uległy wzmocnieniu. To niespodziewane zjawisko, gdyż nowe swobodnie poruszające się elektrony w nowym materiale przewodzącym nie mogą być już ściśle związane ze swoimi atomami żelaza, tworząc tam moment magnetyczny.
      Nie wiemy dokładnie, co dzieje się tam na poziomie kwantowym, ale możemy tym manipulować. Otworzyliśmy drzwi, przez które możemy podejrzeć pewne właściwości, ale jeszcze nie wiemy, co to za właściwości, mówi doktor Siddharth Saxena.
      Szczegóły badań zostały opisane w artykule Emergent Magnetic Phases in Pressure-Tuned van der Waals Antiferromagnet FePS3.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Jedną z przyczyn, dla której nie udało się dotychczas stworzyć maszyny o możliwościach obliczeniowych mózgu jest brak urządzenia, które działałoby jak neuron. Jednak dzień powstania sztucznego mózgu właśnie znacznie się przybliżył. Troje naukowców poinformowało na łamach Nature o stworzeniu pojedynczego urządzenia zachowującego się jak neuron.
      W reakcji na przyłożenie prądu stałego urządzenie reaguje podobnie jak neuron: pojawiają się w nim serie wyładowań, samopodtrzymujące się oscylacje i inne procesy, które możemy obserwować w mózgu. Urządzenie łączy w sobie funkcje opornika, kondensatora i memrystora Motta. Memrystory to urządzenia, które przechowują dane w postaci pamięci o oporze.
      Memrystory Motta mają dodatkową możliwość zapamiętania zmian w oporności powodowanych temperaturą. Dzieje się tak, gdyż materiały, z których zbudowany jest memrystor Motta są izolatorami lub przewodnikami w zależności od temperatury.
      Do zmian takich dochodzi z nanoskalowej warstwie ditlenku niobu. Po przyłożeniu napięcia NbO2 rozgrzewa się, zmieniając właściwości z izolujący w przewodzące. Po takiej zmianie prąd może przepłynąć przez urządzenia. Następnie urządzenie się chłodzi, a ditlenek niobu staje się ponownie izolatorem. W efekcie takich działań pojawia się wyładowanie podobne do tego, obserwowanego w neuronach. Przez pięć lat nad tym pracowaliśmy. W małym nanoskalowym kawałku materiału dzieje się bardzo wiele, mówi jeden z autorów badań, R. Stanley Williams z Texas A&M University.
      Drugi z autorów badań, Suhas Kumar z Hewlett Packard Laboratories, przypomina, że wynalazca memrystora, Leon Chua, przewidywał, iż w urządzeniu tym pomiędzy dwoma stabilnymi regionami znajduje się region chaotycznych zjawisk. Na krawędzi takiego regionu urządzenie może zaś wykazywać zachowania podobne do zachowań neuronów.
      Uzyskanie odpowiednich zjawisk nie jest jednak łatwe. Williams chwali Kumara za wysiłek, jaki włożył w to, by precyzyjnie dobrać parametry pracy urządzenia. Tego się nie odkrywa przypadkiem. Wszystkie parametry muszą być perfekcyjnie dobrane zanim zauważysz zjawiska, których poszukujesz. Gdy już jednak uda się tego dokonać okazuje się, że całość pracuje bardzo stabilnie i łatwo jest to powielać, stwierdza uczony.
      Naukowcy przetestowali swoje urządzenie budując z nich bramki logiczne NAND i NOR oraz niewielki analogowy obwód optymizujący pracę całości. Naukowcy przyznają, że potrzeba jeszcze wiele pracy, by całość zmienić w praktyczne urządzenie i skalować je tak, by mogły z nich powstać systemy zdolne do rzucenia wyzwania współczesnym komputerom. Kumar i Williams mają zamiar poszukać innych materiałów, nadających się do budowy sztucznego neuronu. Przemiany zachodzące w NbO2 mają bowiem miejsce w temperaturze 800 stopni Celsjusza. Można ją osiągnąć w warstwach o grubości liczonej w nanometrach.
      Jednak przeskalowanie całości na miliony takich neuronów i uzyskanie podobniej wydajności może być problemem. Stąd m.in. potrzeba znalezienia innego materiału.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Rozwój spintroniki zależy od materiałów gwarantujących kontrolę nad przepływem prądów spolaryzowanych magnetycznie. Trudno jednak mówić o kontroli, gdy nieznane są szczegóły transportu ciepła przez złącza między materiałami. Cieplna luka w naszej wiedzy została właśnie wypełniona dzięki polsko-niemieckiemu zespołowi fizyków, który po raz pierwszy dokładnie opisał zjawiska dynamiczne zachodzące na złączu między ferromagnetykiem a półprzewodnikiem.
      Spintronika to następczyni wszechobecnej elektroniki. W urządzeniach spintronicznych prądy elektryczne próbuje się zastępować prądami spinowymi. Obiecującym materiałem dla tego typu zastosowań wydaje się być złącze arsenku galu z krzemianem żelaza: na każde cztery elektrony przepływające przez złącze aż trzy niosą tu informację o kierunku momentu magnetycznego. Do tej pory niewiele było jednak wiadomo, jak zmieniają się właściwości dynamiczne złącza, decydujące o przepływie ciepła. Połączenie sił Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie, Instytutu Technologicznego w Karlsruhe (KIT), Instytutu Paula Drudego w Berlinie i ośrodka badawczego DESY w Hamburgu pozwoliło tę zagadkę wreszcie rozwiązać.
      Układy z krzemianu żelaza Fe3Si i arsenku galu GaAs są szczególne. Oba materiały znacznie różnią się właściwościami: pierwszy jest bardzo dobrym ferromagnetykiem, drugi to półprzewodnik. Natomiast stałe sieci, czyli charakterystyczne odległości między atomami, w obu materiałach różnią się zaledwie o 0,2%, są więc niemal identyczne. W rezultacie materiały te świetnie się łączą, a na złączach nie ma defektów ani znaczących naprężeń - mówi dr hab. Przemysław Piekarz (IFJ PAN).
      Grupa skoncentrowała się na przygotowaniu teoretycznego modelu drgań sieci krystalicznych w badanym złączu. Istotną rolę odegrało tu oprogramowanie PHONON, stworzone i od ponad 20 lat rozwijane przez prof. dr hab. Krzysztofa Parlińskiego (IFJ PAN). W oparciu o podstawowe prawa mechaniki kwantowej wyliczane są tu siły oddziaływań między atomami, co pozwala rozwiązywać równania opisujące ruch atomów w sieciach krystalicznych.
      Dr hab. Małgorzata Sternik (IFJ PAN), która wykonała większość obliczeń, wyjaśnia: W naszym modelu podłożem jest arsenek galu, którego najbardziej zewnętrzna warstwa składa się z atomów arsenu. Nad nią znajdują się naprzemiennie ułożone warstwy z atomami żelaza i krzemu oraz samego żelaza. Drgania atomowe wyglądają inaczej dla litego kryształu, a inaczej w pobliżu interfejsu. Dlatego badaliśmy, jak zmienia się widmo drgań w zależności od odległości od interfejsu.
      Dynamika atomów w kryształach nie jest przypadkowa. Materiały te charakteryzują się dużym uporządkowaniem. W efekcie ruch atomów nie jest tu chaotyczny, lecz podlega pewnym, niekiedy bardzo złożonym wzorcom. Za transport ciepła odpowiadają głównie fale akustyczne poprzeczne. Oznacza to, że przy analizie dynamiki sieci badacze musieli ze szczególną uwagą przyglądać się drganiom atomowym zachodzącym w płaszczyźnie równoległej do złącza. Gdyby fale drgań atomów w obu materiałach były do siebie dopasowane, ciepło efektywnie przepływałoby przez złącze.
      Próbki materiałów Ge/Fe3Si/GaAs, zawierające różną liczbę monowarstw krzemianu żelaza (3, 6, 8 oraz 36), zostały przygotowane w Instytucie Paula Drudego przez Jochena Kalta, doktoranta w Instytucie Technologicznym w Karlsruhe. Same doświadczenia zrealizowano w synchrotronie Petra III, na linii pomiarowej Dynamics Beamline P01 w ośrodku DESY.
      Pomiar widma drgań atomowych w ultracienkich warstwach jest wielkim wyzwaniem dla fizyków ciała stałego - mówi kierujący eksperymentem dr Svetoslav Stankov (KIT) i dodaje: Dzięki wyjątkowym własnościom promieniowania synchrotronowego, potrafimy obecnie za pomocą nieelastycznego rozpraszania jądrowego wyznaczać z dużą rozdzielczością widmo drgań atomowych w nanostrukturach. W naszych pomiarach wiązka promieniowania synchrotronowego padała na złącze w kierunku praktycznie równoległym do jego powierzchni. Takie ustawienie gwarantowało możliwość obserwacji drgań atomowych zachodzących równolegle do złącza. Co więcej, jest to pomiar selektywny dla atomów żelaza, bez zaburzenia pochodzącego od tła.
      Okazało się, że mimo podobieństw struktury krystalicznej obu materiałów, drgania atomów w pobliżu interfejsu znacznie różnią się od tych w litym materiale. Obliczenia z pierwszych zasad doskonale pokryły się z wynikami eksperymentalnymi, odtwarzając nowe cechy w widmach drgań atomów.
      Niemal doskonała zgodność teorii z eksperymentem otwiera drogę do nanoinżynierii fononowej, która może doprowadzić do powstania bardziej wydajnych urządzeń termoelektrycznych i efektywnego zarządzania przepływem ciepła - podsumowuje dr Stankov.
      Złącze Fe3Si/GaAs okazało się doskonałym układem do badania własności dynamicznych i spintronicznych. W przyszłości zespół naukowców, finansowany przez Narodowe Centrum Nauki (2017/25/B/ST3/02586), Helmholtz Association (HGF, VH-NG-625) i German Ministry for Research and Education (BMBF, 05K16VK4), zamierza rozszerzyć zakres badań interfejsu w celu dokładnego poznania jego własności elektronowych i magnetycznych.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Międzynarodowa grupa naukowa pracująca pod przewodnictwem inżynierów z Narodowego Uniwersytetu Singapuru opracowała nowe urządzenie spintroniczne do manipulowania cyfrową informacją. Jest ono 20-krotnie bardziej wydajne i 10-krotnie bardziej stabilne niż dostępne obecnie rozwiązania komercyjne. Nowe urządzenie zostało opracowane we współpracy z naukowcami z Instytutu Technologicznego Toyoty oraz Uniwersytetu Koreańskiego.
      Nasze odkrycie może stać się nową platformą rozwojową dla przemysłu spintronicznego, który obecnie zmaga się z problemami związanymi z niestabilnością i skalowalnością, gdyż wykorzystuje się tutaj bardzo cienkie elementy magnetyczne, mówi profesor Yang Hyunso z Singapuru.
      Obecnie na świecie powstają olbrzymie ilości cyfrowych informacji. Istnieje więc duże zapotrzebowanie na tanie, energooszczędne, stabilne i skalowalne produkty do przechowywania tej informacji i manipulowania nią. Stawiane warunki mogłyby spełniać materiały spintroniczne bazujące na rozwiązaniach ferromagnetycznych. Jednak wciąż są one bardzo drogie z powodu problemów ze skalowalnością i stabilnością. Układy pamięci bazujące na ferromagnetykach nie mogą mieć grubości większej niż kilka nanometrów, gdyż efektywność ich okablowania wykładniczo spada wraz z rosnącą grubością. Zaś obecna grubość jest niewystarczająca, by zapewnić stabilne przechowywanie danych w warunkach naturalnie wahających się temperatur, wyjaśnia doktor Yu Jiawei.
      Uczeni, aby poradzić sobie z tym problemem, zaprzęgli do pracy materiały ferrimagnetyczne. Zauważyli, że mogą być one 10-krotnie grubsze niż materiały ferromagnetyczne i nie wpływa to na ich wydajność. W ferrimagnetykach spin elektronów napotyka na minimalne opory. To jest taka różnica, jakbyśmy jechali samochodem drogą 8-pasmową, w porównaniu do jazdy 1-pasmową ulicą w mieście. Dla spinu ferromagnetyk to jak wąska ulica w mieście, zaś ferrimagnetyk jest jak szeroka autostrada, mówi jeden z badaczy, Rahul Mishra.
      Pamięć stworzona z materiału ferrimagnetycznego okazała się 10-krotnie bardziej stabilna i 20-krotnie bardziej wydajna niż pamięć z ferromagnetyku. Zdaniem profesora Yanga, za różnicę w wydajności odpowiada unikatowe uporządkowanie atomów.W ferrimagnetykach sąsiadujące ze sobą domeny magnetyczne są zwrócone do siebie przeciwnymi znakami. Zaburzenia spinu powodowane przez jeden atom, są kompensowane przez sąsiedni. Dzięki temu informacja może przepływać szybciej, dalej i przy mniejszym zużyciu energii, stwierdził.
      Na kolejnym etapie badań naukowcy przyjrzą się już nie tylko problemowi przesyłania informacji w ferrimagnetykach, ale zbadają też tempo jej odczytu i zapisu. Spodziewają się, że będzie ono niezwykle szybkie. Chcą też rozpocząć współpracę z przemysłem, by ich wynalazek jak najszybciej trafił do praktycznego użycia.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Już w 2013 roku do sklepów mają trafić pierwsze chipy zbudowane na memrystorach. Zastąpią one układy flash i wyznaczą początek rewolucji na rynku układów pamięci.
      Stan Williams z HP, współtwórca memrystora, występując podczas International Electronic Forum 2011 stwierdził, że w ciągu 18 miesięcy jego firma rozpocznie sprzedaż kości, które zastąpią flash. Na tym jednak nie koniec.
      Być może w 2014, a na pewno w 2015 stworzymy konkurencję dla DRAM, a później zastąpimy SRAM - powiedział Williams.
      O zastąpieniu flasha już zdecydowaliśmy. Teraz pracujemy nad DRAM i sądzimy, że nowe układy będą zużywały na każdy bit o dwa rzędy wielkości mniej energii potrzebnej do przełączania układu - dodał. Opracowana przez HP technologia pozwala na umieszczenie układu pamięci bezpośrednio na procesorze. Dzięki temu dane w ogóle nie opuszczają układu scalonego. To oznacza, że otrzymujemy poprawę szybkości działania odpowiadającą 20 latom obowiązywania Prawa Moore'a - stwierdził Williams. Dodał przy tym, że możliwe jest umieszczanie dowolnej liczby warstw podzespołów o grubości 5 nanometrów każda. W jednej takiej warstwie może znaleźć się nawet 500 miliardów memrystorów.
      Przedstawiciel HP zapowiada wielkie zmiany na rynku. Jesteśmy największym na świecie kupcem pamięci DRAM i drugim co do wielkości nabywcą układów flash. Chcemy całkowicie przeorganizować nasz łańcuch dostaw. Mamy zamiar licencjonować naszą technologię każdemu chętnemu. Jednak trzeba będzie poczekać w kolejce. Bardzo wiele osób jest tym zainteresowanych. Zdecydowaliśmy się na taki krok, gdyż, szczerze mówiąc, nie widzimy zbyt wielu innowacji na tym rynku - zapowiedział.
      Memrystor zwany jest inaczej opornikiem pamięci. Zapamiętuje on skąd i ile informacji przepływa, sam usprawnia swoje działanie tak, by przepływ był jak najbardziej wydajny. Potrafi też zmieniać oporność w zależności od wartości  i kierunku przyłożonego napięcia. Zapamiętuje również oporność po odłączeniu zasilania. Dzięki tym właściwościom pojedynczy memrystor może działać jak wiele (od 7 do 12) tranzystorów, pozwoli też na skonstruowanie mniejszej, tańszej, szybszej i bardziej energooszczędnej pamięci flash. Niewykluczone, że memrystory pozwolą również na zrewolucjonizowanie rynku układów FPGA - czyli programowalnych układów scalonych, które na bieżąco można dostosowywać do zadań, które mają wykonać. FPGA są niezwykle drogie, duże i powolne. Być może dzięki memrystorom pozbędziemy się ich wad, a zachowamy zalety.
      Jakby jeszcze tego było mało  badacze z HP stwierdzili, że memrystory są bardziej przydatne niż przypuszczano. Okazało się bowiem, że są one w stanie nie tylko zapamiętywać dane, ale również przeprowadzać obliczenia. To z kolei oznacza, że zamiast budować osobne procesory możliwe będzie wykonywanie obliczeń przez same kości pamięci.
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...