Ni₄W-hukommelsesgennembrud muliggør magnetfri skiftning

De seneste teknologiske fremskridt, der spænder fra big data til kunstig intelligens (AI) til Internet of Things (IoT), indsamler og behandler enorme mængder data. For at gøre dette har de brug for høj energieffektivitet, lav latenstid ved dataoverførsel og højhastighedsbehandling. 

Her er fremskridt inden for højtydende computing (HPC) afgørende for at forbedre databehandlingskapaciteten, idet de udnytter parallel behandling, kraftig hardware og avanceret software.

Dog er hukommelsesadgang ofte flaskehalsen, hvilket skaber et stort behov for hukommelsesteknologi, der er kompatibel med disse krav.

Hukommelsesteknologi muliggør adgang til, lagring af og ændring af data. Informationen repræsenteres her som samlinger af bits, hvor hver bit enten er nul eller en (alternativt sand eller falsk).

Ideelt set læser og skriver hukommelsen på ubetydelig tid, forbruger lidt strøm, optager ubetydelig plads og bevarer sin lagrede værdi på ubestemt tid. Men naturligvis opfylder ingen hukommelsesteknologi i praksis disse ideelle betingelser. Forskellige teknologier har deres egne styrker og svagheder, og der findes ingen entydig bedste hukommelsesteknologi.

Hukommelsesteknologi er primært opdelt i to kategorier:

• Flygtig
• Ikke-flygtig

Dette er baseret på celledesignet. Celler er de grundlæggende enheder i hukommelsen, faktisk et ‘array’ af hukommelsesceller, hvor hver celle indeholder én bit data, og egenskaberne for en enkelt celle afspejler dem for hele arrayet.

En flygtig hukommelse fungerer så længe den er under strøm og mister den lagrede information, når strømmen slukkes. Derfor kan denne type hukommelse bruges til midlertidig lagring af data.

En ikke-flygtig hukommelse bevarer derimod sin lagrede værdi, selv når strømmen fjernes. For denne specifikke type hukommelse anvendes avanceret halvlederteknologi, da den er sværere at fremstille og vanskelig at skrive til elektronisk.

Med den stigende tilgængelighed af mere avanceret hukommelsesteknologi på markedet bliver forskellen mellem disse to hukommelseskategorier stadig mere uklar.

Gennembrud inden for hukommelsesteknologi

I betragtning af vigtigheden af hukommelsesteknologi for driften og ydeevnen af forskellige elektroniske enheder og systemer, da den gør det muligt for computere og andre enheder at gemme og hente den nødvendige information, har forskere løbende udforsket nye måder at gøre den mere effektiv på.

Gennem årene har flere gennembrud revolutioneret teknologien. Med målet om at overvinde begrænsningerne i nuværende RAM- og lagringsløsninger driver igangværende forskning hurtigere, mere energieffektiv computing og muliggør nye anvendelser inden for områder som AI og neuromorfisk computing.

PCM og lavstrøminnovationer

Nogle af de vigtigste fremskridt på dette område inkluderer nye PCM (Phase Change Memory)-materialer, der skaber en enkelt hukommelsestype, som kombinerer RAM’s hastighed med flash-lagringens ikke-flygtighed.

I PCM-området opdagede videnskabsfolk i slutningen af sidste år opdagede¹ en ny teknik til at sænke energikravene for PCM med op til en milliard gange.

“En af grundene til, at faseændringshukommelses-enheder ikke har opnået udbredt brug, er den energi, de kræver,” sagde forfatter Ritesh Agarwal, professor i materialvidenskab og -ingeniørkunst ved Penn Engineering, hvilket betyder, at potentialet i resultaterne af denne nye teknik er “enormt” for design af lavstrøms-hukommelsesenheder.

Denne specifikke opdagelse bygger på de unikke egenskaber ved indiumselenid (In2Se3), et halvledermateriale, der udviser både piezoelektriske (materialer, der fysisk deformeres, når de udsættes for en elektrisk ladning) og ferroelektiske (materialer, der kan generere et internt elektrisk felt uden at kræve en ekstern ladning) karakteristika. 

Da indiumselenid blev udsat for en kontinuerlig strøm, observerede forskerne, at dele af den amorferedes, hvilket forstyrrede den krystallinske struktur og åbnede “et nyt felt inden for de strukturelle transformationer, der kan ske i et materiale, når alle disse egenskaber samles”.

Multiferroiske materialer & effektiv datalagring

Multiferroiske materialer, der udviser både ferroelectric og ferromagnetiske egenskaber for destruktionsfri datalagring, bliver også undersøgt af forskere. 

Et sådant materiale er kobolt-substitueret BiFeO3 (BiFe0.9Co0.1O3, BFCO), som udviser stærk magnetoelektrisk kobling, hvilket muliggør en energieffektiv måde at skrive data på. Sidste år udviklede forskere fra Tokyo Institute of Technology udviklede² BFCO-nanodråber med enkelt ferroelectric og ferromagnetisk domæner.

I år gjorde forskerne fremskridt³, som bygger videre på forskningen for at demonstrere praktisk skiftefunktionalitet i orienterede tynde film. Den dynamiske kontrol demonstrerer faktisk elektrisk-felt-drevet magnetiseringsskift i et mere enheds-kompatibelt format.

Ferroelectric løsninger & nye hukommelsesdesigns

Chiplet-teknologi er en anden tilgang, hvor flere mindre chips eller chiplets monteres på et substrat, der forbinder dem, hvilket muliggør højere hukommelsesbåndbredde og tæthed. Samtidig fortsætter fremskridt inden for NAND-flash og DRAM-teknologier mod mindre procesnoder med fokus på at øge båndbredde og energieffektivitet.

Selvom NAND-flashhukommelse er en af de mest udbredte teknologier til masse-datalagring på grund af dens evne til at lagre mere data på samme område ved at stable celler i en 3D-struktur, er den afhængig af ladningsfælder til at gemme data, hvilket betyder højere driftsspændinger og langsommere hastigheder.

En lovende løsning på dette er hafnia (hafniumoxid)-baseret ferroelectric hukommelse, men udfordringen er begrænset hukommelseskapacitet til datalagring.

Et team fra POSTECH adresserede dette problem⁴ ved at doppe de ferroelectric materialer med aluminium, hvilket skabte højtydende ferroelectric tynde film. Derudover anvendte de en innovativ metal-ferroelectric-metal-ferroelectric-semiconductor (MFMFS) struktur i stedet for den typiske MFS struktur.

Dette gjorde det muligt for dem at styre spændingen i hver lag ved finjustering af faktorer som lagtykkelse og arealforhold. Som resultat opnåede teamet et hukommelsesvindue på over 10 volt (V), i modsætning til kun 2 V i konventionelle enheder.

Spin-orbit-torque og magnetisk hukommelsesudvikling

Selv kvantecomputing får stor opmærksomhed som en fremvoksende teknologi, der baner vejen for mere kraftfulde, effektive og alsidige computerenheder i fremtiden.

Derefter er der den energieffektive Spin-Orbit Torque Magnetic Random Access Memory (SOT-MRAM), hvor elektriske strømme bruges til at skifte magnetiske tilstande og opnå høj hastighed og lavt strømforbrug.

Tidligere i år delte et team af forskere fra JGU Institute of Physics deres innovation⁵ baseret på SOT-MRAM, som viser potentiale til at reducere energiforbruget med over 50 % og øge effektiviteten med 30 %. Det reducerer også den indgangsstrøm, der kræves for magnetisk skift for at gemme data, med 20 % og opnår en termisk stabilitet, der sikrer langvarig datalagring.

Fotonic og magneto-optisk hukommelse

Styring af optiske hukommelseschips ved hjælp af lys og magneter er endnu en måde at forbedre behandlingshastighed og effektivitet på.

I en udvikling designede forskere en programmerbar fotonisk latch⁶ bygget på en silicium-fotonisk platform. Hver hukommelsesenhed i systemet drives af sin egen lyskilde, hvilket tillader flere enheder at fungere uafhængigt. Dette forhindrer signalforringelse, som optisk effektverlust kan forårsage, og gør arkitekturen mere skalerbar for større systemer.

Farshid Ashtiani fra Nokia Bell Labs forklarede potentialet:

“Store sprogmodeller som ChatGPT er afhængige af enorme mængder simple matematiske operationer, såsom multiplikation og addition, udført iterativt for at lære og generere svar.”

Og selvom fuldskala optiske computere stadig er flere år væk, repræsenterer denne optiske hukommelse et betydeligt skridt i den retning.

I mellemtiden viste et andet team en ny magneto-optisk hukommelsesteknologi⁷ ved brug af cerium-substitueret yttriumjern garnet (Ce:YIG). Dette materiale udviser justerbar optisk adfærd, når det udsættes for magnetfelter. Ved at indlejre mikroskopiske magneter kunne forskerne lagre og manipulere data gennem ændringer i lyspropagation.

På denne måde introducerede de en ny klasse af magneto-optiske hukommelser, der har skiftes hastigheder 100 gange hurtigere end avanceret fotonisk integreret teknologi og forbruger omkring en tiendedel af energien. Magneto-optiske hukommelser kan også blive omskrevet mere end 2,3 milliarder gange.

Ni₄W: Feltfri magnetisering opnået

Forskere fra University of Minnesota Twin Cities har nu rapporteret en ny præstation inden for hukommelsesteknologi. 

Publiceret i det fagfællebedømte videnskabelige tidsskrift Advanced Materials, undersøgelsen detaljerede udviklingen⁸, som involverede brugen af Ni₄W, en legering af nikkel og wolfram. Dette metal vender magnetisme uden at kræve magneter, og som sådan viser det potentiale til at drive næste generations elektronik.

Med teamet, der demonstrerede en metode til at producere spinstrømme for at kontrollere magnetisering i enheder, åbner undersøgelsen døren til billigere, hurtigere og mere effektive computerhukommelses- og logiske enheder.

Skift af metallets magnetisme uden magneter

Med den stigende efterspørgsel efter nye hukommelsesteknologier udforsker forskere aktivt forskellige alternativer til eksisterende hukommelsesløsninger, som kan øge funktionaliteten af hverdags-teknologi, mens de forbruger mindre energi.

Så vendte forskere fra University of Minnesota sig mod et nyt materiale for at gøre computerhukommelse hurtigere og mere energieffektiv.

Materialet er en nikkel-tungsten legering, en klasse af materialer kendt for sin høje densitet, styrke og modstand mod slid og korrosion. I disse legeringer påvirker den specifikke sammensætning af metallerne deres egenskaber. 

I denne undersøgelse brugte forskerne Ni₄W, et materiale der udviser kraftfulde magnetiske kontrol egenskaber.

For at vælge Ni₄W søgte teamet først i materialedatabasen efter potentielle kandidater med stabile faser inden for I4/m rumgruppe, derefter anvendte de density functional theory (DFT) beregninger, som identificerede Ni₄W som den mest lovende kandidat på grund af dens store teoretiske SOT-effektivitet og som grundtilstand for Ni‑W binært intermetalisk system.

Teamet bekræftede eksistensen af ukonventionel spin Hall ledningsevne (USHC) for Ni₄W (100) såvel som Ni₄W (211), men valgte at fokusere deres eksperimentelle indsats på sidstnævnte på grund af dens bedre SOT-effektivitet, som oversteg den første.

“Teoretiske beregninger bekræfter, at Ni₄W (211) er omtrent den mest optimale krystalorientering for USHC,” bemærkede undersøgelsen og tilføjede, at dens hexagonale‑lignende gitterstruktur gør den lettere at dyrke eksperimentelt.

Materialet kan gøre computerhukommelse hurtigere samt betydeligt reducere energiforbruget i elektroniske enheder. Forskerne har sikret sig et patent på teknologien.

“Ni₄W reducerer strømforbruget ved skrivning af data, hvilket potentielt kan skære energiforbruget i elektronik betydeligt ned,” sagde seniorforfatter Jian‑Ping Wang, som er Distinguished McKnight Professor og Robert F. Hartmann Chair i afdelingen for Elektroteknik og Computer Engineering (ECE) ved U of M.

I modsætning til konventionelle materialer tillader den lavsymmetriske Ni₄W ‘feltfri’ skiftning. Det betyder, at materialet kan skifte sine magnetiske tilstande uden at kræve magneter. Det sker ved at generere spinstrømme i flere retninger, som gør det muligt for Ni₄W at vende magnetiske tilstande feltfrit uden at kræve eksterne magnetfelter.

I deres arbejde giver teamet ny indsigt i materialet, mens de demonstrerer en mere effektiv tilgang til at kontrollere magnetisering i små elektroniske enheder ved brug af denne kombination af nikkel og wolfram.

Ifølge undersøgelsen fandt forskerne, at Ni₄W genererer stærk spin‑orbit‑torque (SOT), en metode til at manipulere magnetisme i næste generations hukommelsesteknologier.

SOT er en fremvoksende teknologi, der tillader effektiv manipulation af spintronic‑enheder, som udnytter den indre spin af elektroner såvel som deres ladning til at gemme og manipulere information.

Denne mekanisme opstår fra effekterne af spin‑orbit‑kobling (SOC), såsom den anomale Hall‑effekt (AHE), spin Hall‑effekt (SHE) og Rashba‑effekt, og viser overlegen ydeevne med hensyn til effektivitet og hastighed.

Mens SOT tilbyder en effektiv måde at manipulere magnetiseringen af ferromagnetiske materialer (som udviser permanent magnetisering og har et permanent magnetisk moment i fravær af et eksternt felt) i hukommelsesenheder, er konventionelle SOT‑materialer som tunge metaller og topologiske isolatorer begrænset af deres høje krystalsymmetri.

Som følge heraf bruger forskere enten materialer med lav symmetri eller bryder den høje symmetri ved hjælp af et eksternt magnetfelt for at producere ukonventionelle spinstrømme, hvilket muliggør feltfri deterministisk skiftning af perpendicular magnetisering.

På trods af fremskridtet forbliver SOT‑effektiviteten af disse materialer lav, hvilket begrænser deres praktiske anvendelse. Dette er dog ikke tilfældet med det nye materiale, som viser en stor SOT‑effektivitet på 0,3 ved stuetemperatur.

“Vi observerede høj SOT‑effektivitet med multidirektion i Ni₄W både alene og når det er lagdelt med wolfram, hvilket peger på dets stærke potentiale for brug i lavstrøms, højhastigheds spintronic‑enheder.”

– Papirets medførste forfatter Yifei Yang, som er femteårs Ph.D.-studerende i Wang’s gruppe

En stor SOT‑effektivitet på 0,73 blev også observeret i W/Ni₄W (5 nm), men dette kan skyldes ekstrinsiske effekter.
Bemærkelsesværdigt er det nye materiale fremstillet af almindelige metaller og kan derfor produceres ved hjælp af standard industrielle processer. Denne lette fremstilling gør det til en lavomkostningsproces, hvilket gør Ni₄W attraktivt for industrielle partnere. Dette betyder også, at teknologien kan implementeres i hverdagsprodukter som telefoner og smartwatches let og inden for den nærmeste fremtid.

“Vi er meget begejstrede for at se, at vores beregninger bekræftede valget af materialet og den eksperimentelle SOT‑observation.”

– Papirets medførste forfatter Seungjun Lee, postdoktoral forsker i ECE

Så har undersøgelsen fundet, at Ni₄W er et lovende ukonventionelt SOT‑materiale til energieffektive spintronic‑enheder. Da det er billigt at producere, kan det finde bred anvendelse i enheder som telefoner såvel som datacentre, hvilket gør fremtiden for elektronik både smartere og mere bæredygtig.
I de næste skridt vil teamet dyrke disse materialer til en enhed, mindre end deres tidligere arbejde.

Investering i hukommelsesteknologi

Micron Technology (MU ), en førende aktør inden for DRAM, NAND og høj-båndbredde hukommelsesløsninger, investerer kraftigt i næste generations hukommelse, såsom HBM, til AI-arbejdsbelastninger. I fremtiden kan vi forvente, at virksomheden integrerer nye løsninger, såsom spintronic eller SOT-baseret hukommelse, når de bliver kommercielt levedygtige.

Micron Technology (MU )

Med en markedsværdi på 126,7 milliarder dollars handles MU-aktier i øjeblikket til 112,78 dollars, op 34,54 % indtil videre i år. Den har en EPS (TTM) på 5,52 og en P/E (TTM) på 20,53. Udbytteafkastet, som aktionærer kan opnå, er 0,41 %.

Med hensyn til virksomhedens finansielle position rapporterede den 9,30 milliarder dollars i omsætning for tredje kvartal af regnskabsåret 2025, som sluttede den 29. maj 2025. Dette udgør en stigning på 15,5 % i forhold til foregående kvartal og en stigning på 36,5 % i forhold til samme periode sidste år.

GAAP nettoindkomst for perioden var 1,89 milliarder dollars, eller 1,68 dollars per udvandet aktie, og non‑GAAP nettoindkomst var 2,18 milliarder dollars, eller 1,91 dollars per udvandet aktie. Dens driftskontantstrøm steg også til 4,61 milliarder dollars.

Micron afsluttede kvartalet med 12,22 milliarder dollars i kontanter, likvide investeringer og begrænsede kontanter.

Den rekordhøje omsætning, bemærkede CEO Sanjay Mehrotra, blev drevet af historisk høj DRAM-omsætning, inklusive næsten 50 % sekventiel vækst i HBM-omsætning. Omsætning fra datacentre nåede også en rekord i kvartalet, mens forbrugerorienterede slutmarkeder registrerede stærk sekventiel vækst.

“Vi er på rette vej til at levere rekordomsætning med solid rentabilitet og fri pengestrøm i regnskabsåret 2025, mens vi foretager disciplineret investeringer for at bygge videre på vores teknologiske lederskab og fremstillingsdygtighed for at imødekomme den voksende AI-drevne efterspørgsel efter hukommelse.”

– CEO Sanjay Mehrotra

Midt i alt dette annoncerede virksomheden, at dens HBM3E 36GB 12‑high tilbud vil blive integreret i AMD’s næste‑generations GPU’er (Instinct™ MI350 Series), kritisk for træning af store AI-modeller og håndtering af komplekse HPC‑arbejdsbelastninger som databehandling og beregningsmodellering.
Micron annoncerede også en 200 milliarder dollars amerikansk udvidelsesplan, der inkluderer indenlandsk hukommelsesproduktion og F&U, som forventes at skabe 90.000 direkte og indirekte job. Samtidig afsluttede den en direkte finansiering på 275 millioner dollars i CHIPS Act.

Seneste nyheder og udviklinger om Micron Technology (MU) aktien

Afsluttende tanker om fremtiden for hukommelsesteknologi

Hukommelsesteknologi fortsætter med at udvikle sig og omforme grundlaget for moderne computing. Fra faseændringsinnovationer til spintronic‑gennembrud lover alle disse fremskridt hurtigere, mere energieffektive og skalerbare løsninger til AI, big data og næste generations forbrugerelektronik.

Den seneste opdagelse af Ni₄W-legeringen, med dens feltfri magnetiseringsskift, kan vise sig at være en game‑changer, der bygger bro mellem omkostningseffektivitet og højtydende hukommelsesløsninger og potentielt baner vejen for udbredt adoption af spin‑orbit‑torque‑hukommelse i mainstream elektronik i de kommende år.

Klik her for en liste over top non‑silicon computervirksomheder.

Referencer:

1. Modi, G.; Parate, S. K.; Kwon, C.; Han, S. H.; Kim, Y.; Wang, X.; Lee, S.; Wu, L.; Kwon, J.; Kim, K.; Zhang, Y.; Milliron, D. J.; Duerloo, K.-A. N.; Kim, M. J.; Jeong, Y.; Park, J. Elektrisk drevet langtrækkende faststof‑amorfisering i ferroisk In₂Se₃. Nature, 635, 847–853 (2024). Publiceret online 6. november 2024. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08156-8
2. Ozawa, K.; Nagase, Y.; Katsumata, M.; Shigematsu, K.; Azuma, M. Elektrisk feltkontrol af den magneto‑optiske effekt i et gennemsigtigt perovskitoxid. ACS Applied Materials (AMAT ) & Interfaces, 16 (16), 20930–20936 (2024). Publiceret online 24. april 2024. https://doi.org/10.1021/acsami.4c01232
3. Itoh, T.; Shigematsu, K.; Das, H.; Meisenheimer, P.; Maeda, K.; Lee, K.; Manna, M.; Reddy, S. P.; Susarla, S.; Stevenson, P.; Ramesh, R.; Azuma, M. Elektrisk‑felt‑drevet reversal af ferromagnetisme i (110)‑orienterede, enkelt‑fase, multiferroiske Co‑substituerede BiFeO₃ tynde film. Advanced Materials, publiceret online 28. april 2025, e2419580. https://doi.org/10.1002/adma.202419580
4. Kim, I.–J.; Lee, J.–S.; … Lee, J.–S. Åbning af store hukommelsesvinduer og 16‑niveau data‑pr.‑celle hukommelsesoperationer i hafnia‑baserede ferroelectric transistorer. Science Advances, publiceret online 7. juni 2024, 10 (23): eadn1345. https://doi.org/10.1126/sciadv.adn1345
5. Gupta, R.; Bouard, C.; Kammerbauer, F.; Ledesma‑Martín, J. O.; Bose, A.; Kononenko, I.; Martin, S.; Usé, P.; Jakob, G.; Drouard, M.; Kläui, M. Udnyttelse af orbital Hall‑effekten i spin‑orbit torque MRAM. Nature Communications, 16, 130 (2025). Modtaget 18. september 2024; Accepteret 12. december 2024; Publiceret 2. januar 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55437-x
6. Goto, T.; Onbaşli, M. C.; Ross, C. A. Magneto‑optiske egenskaber af cerium‑substitueret yttrium‑jern‑garnet film med reduceret termisk budget for monolitiske fotoniske integrerede kredsløb. Optics Express, 20 (27), 28507–28517 (2012). Modtaget 24. oktober 2012; Revideret 20. november 2012; Accepteret 21. november 2012; Publiceret online 10. december 2012. https://doi.org/10.1364/OE.20.028507
7. Pintus, P.; Dumont, M.; Shah, V.; Murai, T.; Shoji, Y.; Huang, D.; Moody, G.; Bowers, J. E.; Youngblood, N. Integreret ikke‑rekursiv magneto‑optik med ultra‑høj udholdenhed til fotonisk in‑memory computing. Nature Photonics, 19, 54–62 (2025). Modtaget 18. januar 2024; Accepteret 14. september 2024; Publiceret 23. oktober 2024. https://doi.org/10.1038/s41566-024-01549-1
8. Yang, Y.; Lee, S.; Chen, Y. C.; Jia, Q.; Dixit, B.; Sousa, D.; Odlyzko, M.; Garcia‑Barriocanal, J.; Yu, G.; Haugstad, G.; Fan, Y.; Huang, Y. H.; Lyu, D.; Cresswell, Z.; Liang, S.; Benally, O. J.; Low, T.; Wang, J. P. Stor spin‑orbit‑torque med multidirektionelle spin‑komponenter i Ni₄W. Advanced Materials, publiceret online 15. maj 2025, e2416763. https://doi.org/10.1002/adma.202416763