Спинтроника: почему компьютеры будут работать быстрее

В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Одна из целей эпохи информационных технологий — разработка искусственного интеллекта на основе вычислительных устройств. Подобная нейроморфная система позволит решать задачи, с которыми каждый день справляется мозг человека. Для разработки искусственного интеллекта нужна особенная элементная база и архитектура компьютеров, способная имитировать работу биологической нейронной сети. 

Современные суперкомпьютеры, работающие на традиционной архитектуре фон Неймана, обладают недостаточной производительностью. Они не могут эффективно выполнять трудоемкие расчеты и обрабатывать большие объемы данных даже с использованием программных алгоритмов нейронных сетей. Также компьютерам сложно справиться с такими когнитивными операциями, как распознавание образов, текста, речи, классификация данных и комплексное прогнозирование. 

Для сравнения: мозг человека, который каждый день обрабатывает огромное количество информации с частотой в несколько десятков герц, потребляет в среднем 20 ватт мощности. Современным суперкомпьютерам для этой же цели требуется до 500 мегаватт мощности при частоте процессоров в несколько гигагерц. Для решения этой проблемы нужно использовать новые физико-технологические принципы организации памяти и вычислений. Они позволят увеличить количество вычислительных единиц и ускорить обработку данных. 

Одним из наиболее перспективных направлений наноэлектроники, отвечающих вызовам времени, является спинтроника (спиновая электроника). Электроны переносят не только заряд, но и спин (от англ. spin — «вращение») — собственный момент импульса электрона. Спин электрона, подобно миниатюрному магниту, создает вокруг себя локальное магнитное поле. В соответствии с этим ориентацию электронного спина можно менять в результате воздействия внешнего магнитного поля или поляризованного по спину электрического тока. 

В спинтронных устройствах вычислительные процессы и хранение информации осуществляются по физическим принципам, которые отличаются от традиционной электроники. Согласно принципу Паули, спин электрона на одной и той же орбитали атома может находиться в одном из двух состояний: со спином «вверх» либо со спином «вниз». Спин «вверх» — состояние частицы, в которой ориентация спина сонаправлена с осью квантования магнитного материала. Спин «вниз» — состояние частицы, в котором спиновый вектор направлен противоположно данной оси. Таким образом, электрон может выступать как природный передатчик двоичной информации. Магнитное поле, или поток свободных электронов, переносящий собственный магнитный момент, меняет поляризацию спинов электронов на внутренних оболочках атомов материала. Так происходит запись отдельных битов информации в магнитном состоянии структуры (1 — большинство электронов со спином «вверх», 0 — большинство электронов со спином «вниз»).

Такому типу записи данных не нужно внешнее питание, поэтому концепция привлекательна для развития твердотельной памяти нового поколения. С прогрессом в области спинтроники появляются новые типы запоминающих и логических устройств: энергонезависимая оперативная память (STT-MRAM), нейроморфные системы и спиновые транзисторы. Они энергонезависимы и работают быстрее традиционных полупроводниковых аналогов. Благодаря возможности масштабирования спинтронных структур размер приборов на их основе может радикально уменьшиться. Так в запоминающий чип размером менее сантиметра можно поместить информацию объемом с библиотечный архив. 

Исследования спинтроники

Столетие назад физики ничего не знали о спине электрона и его способности передавать данные, а сегодня компьютерную технику нельзя представить без технологии спинтронных устройств.

Физик Джозеф Джон Томсон открыл электрон в 1897 году — элементарную частицу с отрицательным электрическим зарядом. Через 12 лет физик Роберт Милликен со своим помощником Харви Флетчером провели опыт по изменению заряда электрона. Исследователи доказали дискретность электрического заряда и существование в твердом теле заряженных частиц (электронов), размер которых намного меньше размера атома. В 1922 году физики Отто Штерн и Вальтер Герлах обнаружили, что у электрона есть магнитный момент. Позже был открыт принцип Паули: электрон имеет спин со значением либо ½, либо -½, предположительно указывающий направление вращения электрона вокруг собственной оси. Ученые пришли к выводу, что спин — второе квантовое свойство электрона — можно использовать для передачи данных. Это открыло путь к формированию фундаментальных основ спинтроники.

Первые масштабные исследования спинтроники были проведены в 1970–1980-е годы. Они были посвящены изучению спин-зависимого транспорта носителей заряда в твердых телах. Ученые изучали особенности инжекции спин-поляризованных электронов из ферромагнетика в немагнитный металл, рассматривали режимы генерации спинового тока. 

Выяснилось, что электроны способны передавать спиновый вращательный момент, воздействующий на магнитное состояние среды, в которую поступает ток. В это же время в России научный коллектив из ФТИ им. А. Ф. Иоффе под руководством академика Бориса Захарчени изучал оптическую ориентацию электронных спинов. Их исследования стали основой для развития альтернативных методов управления неравновесной спиновой поляризацией твердых тел немагнитными способами.

В 1981 году группа японских ученых под руководством профессора Терунобу Миязаки изучала эффект спин-зависимого туннелирования электронов в магнитных туннельных гетероструктурах. Это процесс, когда частица с заданной ориентацией спина преодолевает потенциальный барьер даже в том случае, когда ее полная энергия не превышает высоту барьера. Была продемонстрирована зависимость сопротивления магнитной гетероструктуры, состоящей из двух ферромагнетиков, разделенных тонкой туннельной прослойкой, от взаимной ориентации намагниченностей ферромагнитных слоев. Объяснение данного явления было связано со спин-зависимым рассеянием носителей заряда при прохождении через туннельный барьер. Это доказывает спин-зависимый характер туннелирования электронов в подобного рода структурах. 

Важную роль в становлении спинтроники сыграл спиновый эффект Холла. Он был предсказан советскими учеными Михаилом Дьяконовым и Владимиром Перелем в 1971 году. Эффектом Холла называют возникновение спинового тока в немагнитном проводнике из-за неравновесного накопления электронов с противоположно направленной ориентацией спина на его границах. Ученые выяснили, что при протекании электрического тока по проводнику, аналогично обычному эффекту Холла, наблюдаемому при постоянном магнитном поле, происходит расщепление общего потока электронов на две части. Электроны со спином «вверх» отклоняются к левой границе, а электроны со спином «вниз» — к правой границе проводника, и наоборот — это определяется полярностью тока. Это похоже на развилку двух дорог, на которой происходит разделение общего транспортного потока автомобилей. Они направлены противоположно друг другу и перпендикулярны первоначальному направлению маршрута. При этом количество электронов в одном потоке (например, со спином «вверх») больше, чем в другом (со спином «вниз»). Это приводит к генерации ненулевого спинового тока. Такое разделение связано со спин-зависимым рассеянием носителей заряда в проводящей структуре, в результате которого, помимо зарядового потока, в структуре возникает перпендикулярный ему спиновый поток. Таким образом, спиновый эффект Холла преобразует электрический ток в спиновый, необходимый для эффективного управления магнитным состоянием спинтронных устройств.

Эксперименты с измерением магнетосопротивления магнитных гетероструктур — следующий этап развития спинтроники. В 1975 году группа ученых под руководством французского профессора М. Джулльера обнаружила, что при переключении магнитной конфигурации трехслойной туннельной структуры Fe-Ge-Co (с параллельного упорядочения намагниченностей ферромагнитных слоев на антипараллельное) происходит изменение ее сопротивления. При малых температурах (порядка 4,2 К) изменения незначительны — 10–11%. В следующих за этим экспериментах в качестве материала прослойки между ферромагнитными пленками исследователи использовали не диэлектрик, а немагнитный металл. Из-за этого магнетосопротивление возросло до 30–50%. Эффект гигантского магнетосопротивления в многослойных магнитных структурах, состоящих из чередующихся магнитных и немагнитных слоев, открыли в конце 1980-х годов. Данное открытие было сделано одновременно в двух независимых научных группах — французской (под руководством профессора Альберта Ферта) и немецкой (во главе с Петером Грюнбергом). Первоначально направление намагниченности трехслойной структуры меняли внешним магнитным полем. Например, если в составе чувствительной считывающей головки в запоминающем устройстве есть трехслойная магнитная структура, то при воздействии порогового поля на такую магнитную систему направление намагниченности одного из слоев меняется. Это свойство позволяет чувствительной головке считывать с магнитного жесткого диска пространство, заполненное информацией, и определять, записалась она или нет. За открытие эффекта гигантского магнетосопротивления ученым Грюнбергу и Ферту в 2007 году присудили Нобелевскую премию по физике. Это привело к прорыву в области технологической индустрии устройств на базе спинтронных эффектов, который произошел в конце 1980-х — начале 2000-х годов. Этот период стал отправной точкой в развитии рынка запоминающих устройств. Таким образом, одновременно с увеличением объема хранения информации на жестких дисках появился эффективный механизм ее чтения — стали применяться высокочувствительные считывающие головки на магниторезистивных структурах.

В 2019 году возможности спинтроники по-прежнему привлекают специалистов. Ученые из Дальневосточного федерального университета разработали магнитную нанопленку состава Fe3O4, позволяющую генерировать практически 100% спиновый ток (электрический поток электронов с превалирующим направлением спина). Эту особенность можно использовать для записи информации в спинтронных устройствах. В это же время специалисты Массачусетского университета (MIT, США) научились модулировать спиновые волны. Это важный шаг к созданию быстродействующих компьютерных схем. Их элементы будут сообщаться между собой практически мгновенно благодаря спин-волновой передаче информации, что позволит выполнять задачи высокой сложности. 

Энергонезависимая магнитная память

За последнее десятилетие прогресс в инженерии магнитных туннельных переходов (МТП) на кристаллической прослойке из MgO позволил поднять величину туннельного магнетосопротивления до 150–200%. Благодаря этому в 2003 году компания Motorola выпустила первые коммерчески доступные микросхемы магниторезистивной памяти произвольного доступа (MRAM — magnetic random access memory). Структуры МТП в такой памяти играли роль запоминающей среды для отдельных битов информации, а внешнее магнитное поле переключало их состояние. В 2010 году усилиями компании Everspin объем MRAM достиг емкости в 16 Мб. Однако масштабирование такой памяти ниже уровня 90 нм оказалось проблематичным: уменьшение размера шин не позволяло генерировать величину поля, достаточную для переключения МТП, что затормозило развитие направления.

В связи с этим в 2012 году появились первые образцы второго поколения магниторезистивной памяти, на эффекте переноса спина — STT-MRAM (spin transfer torque) формата DDR3 емкостью 64 Мб. В такой памяти запись и считывание состояния МТП происходит под действием спин-поляризованного тока, что по сравнению с первым поколением MRAM позволяет избавиться от шин генерации поля и тем самым перейти к уровню масштабирования до 10 нм и ниже и существенно уменьшить общее энергопотребление.

Энергонезависимость качественно отличает спинтронные устройства от полупроводниковых устройств — оперативной памяти (DRAM) и кеша (SRAM). Главный недостаток динамической оперативной памяти DRAM — энергозависимость. При случайном сбое электричества вся информация в открытых документах и программах теряется, что порой требует много времени и сил для ее восстановления. Но если использовать технологию спинтроники — модуль памяти на переносе спина STT-MRAM, — то записанная в магниторезистивных ячейках информация сохранится в магнитном состоянии запоминающего элемента. После включения компьютера вся информация останется на прежнем месте и может быть считана из оперативной памяти в долговременную. Спиновая память выдерживает практически неограниченное количество переключений. В настоящий момент (по состоянию на июнь 2019 года) фаблесс-компания Everspin уже приступила к производству модулей 28-нм STT-MRAM емкостью 1 Гб с интерфейсом ST-DDR4. Компания Samsung также ведет разработки в этом направлении (в марте 2019 года начались поставки STT-MRAM емкостью 256, 512 Мбит). В будущем объем спиновой памяти увеличится — неизвестно, до какой именно величины, это зависит от скорости развития технологий. Также уже подтверждена масштабируемость STT-MRAM до 10 нм. Это значит, что на миниатюрных чипах можно разместить в десятки тысяч раз больше информации, чем раньше.

Нейросети и искусственный интеллект

Современные нейроморфные чипы создаются на полупроводниковых технологиях. Однако микрочипы не воспроизведут элементарных операций мозга человека: недостаточно мощности. В мозге человека десятки миллиардов нейронов и сотни триллионов синапсов, и для того, чтобы повторить их работу, необходимо уменьшить вычислительные единицы до критического размера. Спинтроника открывает путь к реализации такой масштабной задачи.

Недостаток традиционной архитектуры фон Неймана на базе полупроводниковой технологии — долгий обмен информацией между процессором и памятью по шине передачи данных, что связано с их размещением в отдельных модулях на чипе, физически удаленных друг от друга. Программисты столкнулись с этим ограничением во время создания алгоритма работы нейронных сетей. Они проводили вычисления на современном компьютере, основанном на архитектуре фон Неймана. В свою очередь, в спинтронных нейроморфных устройствах предполагается другая организация электронных компонент: процессор и память находятся в одном блоке. Их функциональность выполняет одно и то же спинтронное устройство — искусственный нейрон на основе магнитных гетероструктур, что существенно ускоряет процедуру вычислений. В то же время передачу данных между нейронами можно организовать посредством мемристорных спинтронных структур, демонстрирующих мультирезистивные состояния.

Таким образом, масштабирование спинтронных элементов до 10 нм и ниже позволит создать нейроморфную архитектуру, имитирующую биологическую нейронную сеть. Она будет обучаться, распознавать изображения, писать тексты и воспроизводить речь. 

Информационная безопасность

Спинтроника также развивается в сфере информационной безопасности. Компания Crocus Technology запатентовала технологию MLU (magnetic logic unit — «магнитная логическая ячейка») производства ключей и чипов для защиты банковских карт. Новшество состоит в кодировке информации с применением устройств на основе системы магниторезистивных туннельных структур, что позволяет каждый раз создавать уникальную последовательность чисел для конкретного пользователя при прохождении идентификации и получении доступа к карте. Устройства применяют технологию STT-MRAM с тепловой активацией переключения. Сейчас Crocus Technology работает над созданием прототипа ключей и чипов.

Машинное зрение

Одно из перспективных научных направлений в области искусственного интеллекта — машинное зрение. Прогресс в этом направлении позволит производить быстрый анализ и обработку визуальной информации для решения прикладных задач в робототехнике, системах виртуальной реальности, систематизации и сортировке рукописных данных, анализе медицинских изображений, распознавании текста.

Спинтроника полезна для развития такой технологии: она дает возможность создавать магнитные гетероструктуры, играющие роль спиновых диодов и выпрямляющие переменный ток, генерируемый при воздействии на них электромагнитного излучения. Это позволит улучшить эффективность работы систем беспилотного управления автомобилями. Сегодня для данной задачи используются системы на основе LIDAR-технологии (Light Identification Detection and Ranging). Они работают по оптическому принципу, в связи с чем при плохой видимости и неблагоприятных погодных условиях возникает проблема распознавания препятствий. Основная причина этого состоит в том, что во время тумана и сильных осадков искажается детектирование объектов.

Преимущество спинтронных устройств и магнитно-волновых детекторов — их стабильная работа, вне зависимости от погодных условий. Спинтронная технология предлагает оригинальное решение для беспилотных автомобилей, которое основано на детектировании отраженных от объектов электромагнитных волн с помощью системы спиновых диодов. Они выпрямляют входящий микроволновый сигнал и имеют высокую чувствительность. В 2018 году наш коллектив в составе ученых из Московского физико-технического института (МФТИ) и Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники» (МИЭТ) разработали первые тестовые образцы спиновых диодов применительно к системам компьютерного зрения для итальянской компании IFEVS, которая производит электромобили.

Биотехнологии

Одна из главных особенностей спинтроники — сверхчувствительное детектирование магнитного поля, вплоть до десятков пикотесла, — используется в медицине. Исследования того, как можно применить современное направление электроники в биотехнологии, начались в 2000-х годах. Медицинские спинтронные датчики (магниторезистивные сенсоры) обладают большей чувствительностью и точностью измерений, чем анизотропные магниторезистивные датчики и магнитные датчики Холла, используются в слуховых аппаратах, кардио- и нейростимуляторах. 

Спинтроника поможет в лечении раковых опухолей. Дело в том, что в процессе проведения химиотерапии медикаменты действуют не только на раковые ткани, но и на другие органы. Ученые предлагают выпустить таблетку в железной оболочке, которая будет действовать на опухоль. С помощью магнитного сенсора и магнитного поля можно управлять движением таблетки и отслеживать ее положение, когда она будет находиться внутри организма человека. Спинтроника позволит воздействовать только на пораженный раком орган, не задевая остальные.

Современные исследования

В будущем устройства спинтроники смогут собирать тепловую и электромагнитную энергию из различных источников (тепла человеческого тела, инфракрасного излучения, беспроводных локальных сетей, например Wi-Fi) и конвертировать ее в электрический сигнал. Энергии будет достаточно, скажем, для подзарядки интернета вещей.

Также ученые исследуют эффекты спинтроники на структурах с нарушенной симметрией инверсии, которые обладают спин-орбитальным взаимодействием на интерфейсе толщиной в несколько атомарных слоев. В структурах действует спин-орбитальный эффект, в результате чего при наличии магнитного поля в них могут возникать локализованные магнитные вихри (скирмионы) размером от нескольких нанометров до одного микрона. Направление закрученности спиновой текстуры скирмионов можно переключать под действием тока, меняя их магнитное состояние. На основе таких структур можно создать новый тип памяти, а также сформировать искусственные нейроны (они хранят и записывают данные) и синапсы (передают данные) в качестве элементов нейронной сети. Однако есть сложность: до сих пор неясны механизмы передвижения и стабильной фиксации скирмионов в спин-орбитальных гетероструктурах. Это является предметом теоретических исследований, чему посвящен ряд последних научных работ.

В России исследования в области спинтроники и наномагнетизма ведутся в Институте радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН (ИРЭ РАН), Московском физико-техническом институте (МФТИ), Центре коллективного пользования «Микросистемная техника и электронная компонентная база» (подразделение НИУ «МИЭТ») в Зеленограде. В ИРЭ РАН изучают механизмы передачи спиновых волн для мгновенного сообщения между элементами в составе быстродействующих электронных схем. Сейчас расстояние, на которое посредством спиновых волн удается эффективно передавать данные, достигает одного микрона — как длина человеческого волоса. Ученые добиваются того, чтобы длина, на которой затухает спиновая волна, увеличилась. Это позволит организовывать эффективное взаимодействие между устройствами на чипе. В Центре коллективного пользования «Микросистемная техника и электронная компонентная база» занимаются разработкой элементной базы нейроморфных спинтронных систем, исследованиями в области спиновой калоритроники и сенсорики, активно сотрудничают с широким спектром отечественных и зарубежных компаний по направлению разработки спинтронных устройств.