Spintronics: Fremtiden for energieffektiv computing

Hvordan spintronik kan revolutionere computing

Progressivt begynder hardware‑computingverdenen at se ud over siliciumchips, eller endda de klassiske former for binær computing helt og holdent. Dette skyldes, at de sædvanlige chips og hukommelse i vores computere og datacentre bliver stadig sværere at fremstille, med den nyeste generation, hvor transistorer kun er få nanometer store.

En anden faktor er, at energiforbruget bliver et problem, efterhånden som efterspørgslen efter computerkraft, især til AI‑systemer, fortsætter med at vokse.

Der er mange foreslåede løsninger, hvor kvantecomputing og fotonik er de mest fremtrædende muligheder for enten at reducere efterspørgslen efter beregning eller gøre den hurtigere og mindre energikrævende.

En anden er spintronik, som udnytter elektronernes spin, en kvanteegenskab, i stedet for den elektriske strøm (elektronernes bevægelse).

Forskere arbejder på at gøre spintronik så effektiv, at den kan erstatte en betydelig del af vores computerbehov.

Et nyligt videnskabeligt papir af forskere ved Korea Institute of Science and Technology (KIST), Seoul National University, Kunsan National University (Korea), Yonsei University og Johannes Gutenberg University Mainz (Tyskland) har fundet, at spin‑tab kan omdannes tilbage til magnetisering, hvilket gør spintronik‑elektronik endnu mere energieffektiv.

De offentliggjorde deres resultater i Nature Communications¹, under titlen “Magnetization switching driven by magnonic spin dissipation”.

En anden nylig opdagelse af forskere ved Chinese Academy of Sciences, National Synchrotron Radiation Laboratory (Kina), ShanghaiTech University og Beihang University var, hvordan man kan bruge ufuldkommenheder i spintroniske materialer til at gøre elektronik hurtigere, smartere og mere effektivt.

De offentliggjorde deres resultater i Nature Materials², under titlen “Unconventional scaling of the orbital Hall effect”.

Fordele ved spintronik og potentielle anvendelser

Elektroniske komponenter, såsom transistorer, er traditionelt fremstillet af silicium og er afhængige af halvledere. 0‑ og 1‑signalerne i binær angiver henholdsvis passage eller blokering af en elektrisk strøm.

En alternativ måde at udføre beregning på er gennem spintronik‑enheder, som kører på elektronernes spin (en grundlæggende kvanteegenskab) i stedet for den elektriske strøm (elektronernes bevægelse).

Kilde: Insight IAS

Data kan kodes både i spin‑vinkelmomentet, som kan forestilles som en indbygget “op” eller “ned” orientering af elektronen, og i orbital‑vinkelmomentet, som beskriver, hvordan elektroner bevæger sig omkring atomkerner.

Fordi dette indeholder mere information end blot 0 & 1, kan spin indeholde mere data pr. atom end traditionel elektronik.

Spintronik har nogle andre fordele i forhold til klassiske elektroniske systemer, især:

• Hurtigere data, da spin kan ændres meget hurtigt.
• Lavere energiforbrug, da spin kan ændres med mindre kraft end det, der kræves for at opretholde en strøm af elektroner for at skabe en strøm.
• Simple metaller kan anvendes i stedet for komplekse halvledermaterialer.
• Spin er mindre flygtig end halvlederstatus, hvilket gør datalagringen mere stabil.

Swipe for at rulle →

Spintronik anvendes allerede i harddiske og har gjort det muligt for datalagringskapaciteten at vokse i løbet af det sidste årti.

“Spin er en kvantemekanisk egenskab ved elektroner, som er som et lille magnetfelt båret af elektronerne, der peger op eller ned.

Vi kan udnytte elektronernes spin til at overføre og behandle information i såkaldte spintronik‑enheder.”

Talieh Ghiasi – Postdocforsker ved Delft University of Technology

Overvindelse af materialemæssige udfordringer i spintronik

På trods af disse fordele har spintronik endnu ikke opnået kommerciel gennemslagskraft. Dette skyldes delvist materialedefekternes rolle. Indføring af ufuldkommenheder i et materiale kan nogle gange gøre det lettere at “skrive” data i hukommelsesbits ved at reducere den nødvendige strøm.

Dog øger disse defekter også den elektriske modstand og reducerer spin‑Hall‑ledningsdygtigheden, hvilket gør brugen af spin til at kode data betydeligt mere udfordrende.

En løsning kan være at bruge strontiumruthenat (SrRuO3), et overgangsmetaloxid, hvis egenskaber kan finjusteres.

Omhyggelig ingeniørkunst af defekter i materialet ved hjælp af specialdesignede enheder og præcisionsmåleteknikker ændrer, hvordan spin reagerer på dem.

“Spredningsprocesser, der typisk forringer ydeevnen, forlænger faktisk levetiden for orbitalt vinkelmoment, og dermed forbedrer orbitalstrømmen.”

Dr. Xuan Zheng – Chinese Academy of Sciences
Dette er radikalt anderledes end konventionelle spin‑baserede systemer. I disse eksperimenter gav skræddersyet ledningsevnemodulation en 3‑gange forbedring i skifte‑energi‑effektiviteten.

“Dette arbejde omskriver i bund og grund regelbogen for design af disse enheder. I stedet for at bekæmpe materialedefekter kan vi nu udnytte dem.”

Prof. Zhiming Wang – Chinese Academy of Sciences

Energieffektiv computing med spintronik

Magnetisme og spin

Da spin er en egenskab ved elektronpartikler, er det måske ikke overraskende, at forskere finder nye forbindelser mellem spin og magnetiseringen af elektroniske materialer.

De koreanske forskere studerede denne forbindelse. Traditionelt kræver skift af magnetiseringen af en elektronisk komponent mellem 1 og 0 store strømme for at vende magnetiseringsretningen. Denne proces resulterer i spin‑tab, som har været betragtet som en væsentlig kilde til energispild og dårlig effektivitet.

I stedet for at forsøge at mindske dette tab og reducere spin‑dissipation, ser de på at udnytte det ved at kombinere et enkelt ferromagnetisk metal med en antiferromagnetisk isolator.

Kilde: Nature Materials

Kilde: Nature Materials

Spinstrømme

Forskerne fokuserede på spinstrømme, også kaldet magnoner.

Kilde: Hubpage

De opdagede, at spin‑til‑magnon‑omdannelseseffektiviteten var højest, når den magnetokristallinske lette akse (n) var tættest på spin‑polarisationen (μ).

I praksis betyder det, at spin‑tabet blev brugt til at levere den energi, der kræves for at fremkalde en ændring i materialets magnetiske tilstand. 

Kilde: Nature Materials

Skalerbar ved brug af nuværende teknikker

Denne metode anvender en simpel enhedsstruktur, der er kompatibel med eksisterende fremstillingsprocesser for halvledere.

“Indtil nu har spintronik‑feltet kun fokuseret på at reducere spin‑tab, men vi har præsenteret en ny retning ved at bruge tabene som energi til at fremkalde magnetiseringsskift,”

Dr. Dong-Soo Han – Seniorforsker ved KIST.
Det gør det meget gennemførligt for masseproduktion, og det er også fordelagtigt for miniaturisering og høj integration, noget der kan bremse vedtagelsen af mere radikale nye designs i elektronik drastisk.

Derfor kan denne opdagelse hurtigt finde anvendelse i hukommelse og beregning af AI‑halvledere, ultra‑lav‑effekt‑hukommelse, neuromorfisk computing og sandsynlighedsbaserede beregningsenheder.

Da disse felter allerede blomstrer, kan dette give teknologien et enormt vindue af muligheder.

“Vi planlægger aktivt at udvikle ultra‑små og lav‑effekt AI‑halvleder‑enheder, da de kan fungere som grundlag for ultra‑lav‑effekt‑computing‑teknologier, som er essentielle i AI‑æraen.”

Dr. Dong-Soo Han – Seniorforsker ved KIST.

Konklusion

Spintronik har indtil nu været begrænset til harddiskteknologi, men den ændrer sig hurtigt takket være en bedre forståelse af, hvordan man kan manipulere og udnytte elektronernes spin.

Dette bør skabe en ny type elektronik, ikke nødvendigvis mere kraftfuld, som det er almindeligt med nye og mindre chips, men mere energieffektiv og endnu lettere at fremstille, begge vigtige punkter, da energiforbruget bliver en stadig større flaskehals i udrulningen af AI‑datacentre og edge‑computing (som til selvkørende biler eller robotteknologi).

Spintronik‑virksomheder

1. Everspin Technologies

Everspin er en gren af Freescale (nu kendt som NXP, aktiekode NXPI), dedikeret til at udvikle MRAM‑hukommelsessystemer. Den blev udskilt og børsnoteret i 2016.

Everspin betragtes som førende inden for MRAM‑teknologi (Magnetoresistiv Random‑Access Memory) og arver Freescales erfaring som den første til at kommercialisere en MRAM‑chip i 2006.

Da MRAM er en hukommelse, der bevarer data selv i fravær af strøm, anvendes den i stigende grad i følsomme anvendelser, hvor kritiske data er for vigtige til at risikere tab.

Driven by pervasive applications such as data analytics, cloud computing, both terrestrial and extraterrestrial, artificial intelligence (AI), and Edge AI, including Industrial IoT, the market for persistent memory is projected to grow at a CAGR of 27.5% between 2020 and 2030

Everspin

Kilde: Everspin

Virksomheden anslår, at markedet vil nå en størrelse på 7,4 milliarder dollars i 2027. Virksomheden har haft ingen gæld og positiv fri pengestrøm siden 2021.

Everspin MRAM‑produkter beskæftiger i øjeblikket en lille, men voksende niche, der betjener markeder, hvor pålidelighed er afgørende, såsom rumfart, satellitter, dataoptagere, patientovervågningsenheder osv.

Kilde: Everspin

Væksten i chipsets, AI og synaptiske systemer kan også give virksomheden et langsigtet løft.

2. NVE Corporation

En anden leder inden for spintronik, NVE har arbejdet med denne teknologi siden deres første patent inden for MRAM‑teknologi i 1995. Den producerer spintroniske sensorer og isolatorer, primært anvendt i måle‑ og sensorsystemer til biler, gear, medicinsk udstyr, strømforsyninger og andre industrielle enheder.

Kilde: NVE

Dette placerer NVE i en noget anden kategori end Everspin, hvor NVE er mere et industrifirma med en stærk position i et nichemarked (magnetometer ved brug af spintronik), mens Everspin er mere et hukommelses‑/computing‑firma, der arbejder med og konkurrerer med virksomheder som Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba og Samsung, som også udvikler deres egne MRAM‑produkter.

Det kan gøre aktien mere (eller mindre) attraktiv afhængigt af investorprofiler, hvor NVE‑aktien sandsynligvis vil appellere til mere konservative investorer, der søger udbytteafkast og sikkerhed.

Refererede studier

<sup>1. Peng, S., Zheng, X., Li, S. et al. Unconventional scaling of the orbital Hall effect. Nature Materials. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02326-3
2. Choi, WY., Ha, JH., Jung, MS. et al. Magnetization switching driven by magnonic spin dissipation. Nature Communications 16, 5859 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61073-w</sup>