Magnonen: Die Zukunft energieeffizienter Chips

Magnon Computing: Ein neuer Weg zu energiearmen Chips

Während unser Bedarf an mehr Rechenleistung steigt, werden die bisher verwendeten Methoden allmählich unzureichend. Besonders alle siliziumbasierten Chips, seien es CPUs, GPUs oder andere, verbrauchen viel Energie.

Diese verbrauchte Energie wird in Wärme umgewandelt, die von den Servern in Rechenzentren abgeführt werden muss, sonst können elektronische Bauteile beschädigt werden.

Dadurch werden Energieversorgung und Kühlung zu den Hauptbeschränkungen für neue KI‑Rechenzentren, möglicherweise sogar stärker als die Entwicklung und Bereitstellung fortschrittlicher Chips.

Eine Möglichkeit, den Energieverbrauch beim Rechnen zu senken, besteht darin, Spintronik zu nutzen, die die Spins von Elektronen zur Berechnung einsetzt. Diese Technologie wird bereits für Festplatten und Datenspeicherung verwendet, rückt jedoch ebenfalls schnell in Richtung kommerzieller Anwendung im Rechnen.

Ein neuer Schritt in Richtung dieses Ziels wurde von Forschern der University of Delaware und der University of Maryland unternommen. Sie haben herausgefunden, wie Spinwellen in elektrischen Strom umgewandelt werden können, und damit einen Weg zu einem tieferen Verständnis magnetischer Materialien eröffnet.

Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in PNAS¹ unter dem Titel “Magnon-induzierte elektrische Polarisation und Magnon‑Nernst‑Effekte”.

Spintronik‑Vorteile und potenzielle Anwendungen

Elektronische Bauteile, wie Transistoren, werden traditionell aus Silizium hergestellt und basieren auf Halbleitern. Die 0‑ und 1‑Signale im Binärsystem zeigen das Durchlassen bzw. Blockieren eines elektrischen Stroms an.

Eine alternative Methode zur Berechnung erfolgt über Spintronik‑Geräte, die mit dem Spin von Elektronen (eine grundlegende quantenmechanische Eigenschaft) statt mit elektrischem Strom (dem Fluss von Elektronen) arbeiten.

Quelle: Insight IAS

Daten können sowohl im Spin‑Drehimpuls, der sich als eingebaute „Auf‑“ oder „Ab‑“‑Orientierung des Elektrons vorstellen lässt, als auch im Bahndrehimpuls, der beschreibt, wie sich Elektronen um Atomkerne bewegen, codiert werden.

Da dies mehr Informationen als nur 0 & 1 enthält, kann der Spin pro Atom mehr Daten speichern als herkömmliche Elektronik.

Spintronik hat ein paar andere Vorteile gegenüber klassischen elektronischen Systemen, notably:

• Schnellere Daten, da der Spin viel schneller geändert werden kann.
• Weniger Energieverbrauch, da der Spin mit weniger Leistung geändert werden kann, als nötig wäre, um einen Elektronenfluss zur Stromerzeugung aufrechtzuerhalten.
• Einfache Metalle können anstelle komplexer Halbleitermaterialien verwendet werden.
• Spin ist weniger flüchtig als der Halbleiterzustand, wodurch die Datenspeicherung stabiler wird.

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Spintronik wird bereits für Festplatten verwendet und hat das Datenvolumen in den letzten zehn Jahren wachsen lassen.

“Spin ist eine quantenmechanische Eigenschaft von Elektronen, die wie ein winziger Magnet ist, den die Elektronen tragen und der nach oben oder unten zeigt.

Wir können den Spin von Elektronen nutzen, um Informationen in sogenannten spintronic‑Geräten zu übertragen und zu verarbeiten.

Talieh Ghiasi – Postdoktorand an der Delft University of Technology

Steuerung von Magnonen für die nächste Generation der Spintronik

Magnonen erklärt

Die Forscher konzentrierten sich auf Spinströme, auch Magnonen genannt, die wie eine magnetische Welle wirken und die Spins der Elektronen auf ihrem Weg bewegen.

Quelle: Hubpage

Magnonen sind der zentrale Bestandteil potenzieller spintronic‑Geräte. Das liegt daran, dass die Elektronen selbst stationär bleiben, während Magnonen an ihnen vorbeiziehen, sodass keine Wärme abgeführt werden muss – der wichtigste begrenzende Faktor bei Silizium‑Chips.

In dieser Studie fanden die Forscher heraus, dass der Transport von Magnonen messbare elektrische Polarisation erzeugen kann.

Sie stellten fest, dass die induzierte Netto‑elektrische Polarisation etwa 1.000‑mal größer ist als die zuvor verwendeter Materialien, wie Mangan‑Phosphor‑Schwefel (MnPS3).

Jenseits von Spinströmen

Frühere Forschungsteams fanden heraus, dass Magnonen verwendet werden können, um Spinverluste in Energie umzuwandeln, wodurch die Effizienz von Spintronik‑Systemen stark erhöht wird. Weitere Fortschritte in der chiralen Spintronik und skalierbare Spin‑Wellen‑Netzwerke brachten ebenfalls vielversprechende Ergänzungen für potenzielle zukünftige, auf Spintronik basierende Computer.

Diese Studie geht noch weiter, indem sie beweist, dass Magnonen trotz ihrer Ladungsneutralität durch ihre Spin‑ und Bahnmomente elektrische Polarisation induzieren können.

Das funktioniert über den „Nernst‑Effekt“, die Erzeugung eines elektrischen Feldes, wenn ein Material sowohl einem Temperaturgradienten als auch einem Magnetfeld ausgesetzt wird.

Wichtiger ist, dass sie außerdem feststellten, dass die Netto‑elektrische Polarisation durch externe Magnetfelder gesteuert werden kann (eine Methode, die als Magnon‑Hybridisierung bezeichnet wird).

Diese Erkenntnisse zeigen, dass elektrische Felder unter bestimmten Bedingungen sowohl zur Detektion als auch zur Manipulation von Magnonen genutzt werden können, indem ihr Spin‑ und Bahndrehimpuls ausgenutzt wird.

Hin zu einem einheitlichen magnetischen Rechenmodell

Diese Entdeckung basierte auf früheren Arbeiten desselben Teams, die darauf abzielten, ein einheitliches Verständnis von Spin, Magnonen und den Bahnen der Elektronen zu schaffen.

“Diese Ergebnisse integrieren Fortschritte in der Magnonik, Spin‑Orbit‑Elektronik und Orbitronik, um ein einheitliches Rahmenwerk zu schaffen, das zum Verständnis und zur Steuerung der Manipulation magnetischer Zustände verwendet werden kann.”

Diese jüngste Entdeckung kann Magnonen von interessanten Phänomenen, die der Spintronik zugrunde liegen, zu vollständig kontrollierbaren Effekten machen, indem magnetische Felder eingesetzt werden.

Sie schafft zudem ein theoretisches Rahmenwerk, das später nützlich sein wird, um Materialien mit erheblichen Magnon‑Bahnmomenten zu entdecken oder zu entwickeln, wodurch deren Magnon‑Eigenschaften leichter nach Belieben manipuliert werden können.

Obwohl Spintronik‑Chips noch nicht bereit sind, routinemäßig in KI‑Rechenzentren und -Computer integriert zu werden, schreiten sie sehr schnell zu einem einheitlichen Verständnis voran, sowohl auf theoretischer als auch auf praktischer Engineering‑Ebene.

Dies könnte wiederum wichtige Auswirkungen darauf haben, wie wir die nächste Generation sowohl klassischer als auch Quantencomputer bauen.

In der Zwischenzeit wird Spintronik bereits von Unternehmen genutzt, um Speicher‑Elektronik und Sensoren zu bauen, und sie könnte künftig entscheidend bei der Entwicklung fortschrittlicherer Spintronik‑Chips sein.

Investieren in Spintronik

1. Everspin Technologies

Everspin ist ein Zweig von Freescale (heute bekannt als NXP

(NXPI )) und widmet sich der Entwicklung von MRAM‑Speichersystemen. Es wurde aus Freescale ausgegliedert und ging 2016 an die Börse.

Everspin gilt als Marktführer der MRAM‑Technologie (Magnetoresistiver Random‑Access‑Memory) und übernimmt Freescales Erfahrung als erstes Unternehmen, das 2006 einen MRAM‑Chip kommerzialisiert hat.

Da MRAM ein Speicher ist, der auch ohne Strom erhalten bleibt, wird er zunehmend in sensiblen Anwendungsfällen eingesetzt, bei denen kritische Daten zu wichtig sind, um ein Risiko des Verlusts einzugehen.

Angetrieben von allgegenwärtigen Anwendungen wie Datenanalyse, Cloud‑Computing, sowohl terrestrisch als auch extraterrestrisch, künstlicher Intelligenz (KI) und Edge‑KI, einschließlich Industrial IoT, wird erwartet, dass der Markt für persistenten Speicher zwischen 2020 und 2030 mit einer CAGR von 27,5 % wächst

Everspin

Quelle: Everspin

Das Unternehmen schätzt, dass der Markt bis 2027 ein Volumen von 7,4 Mrd. $ erreichen wird. Das Unternehmen hat seit 2021 keine Schulden und einen positiven freien Cashflow.

Everspin‑MRAM‑Produkte besetzen derzeit eine kleine, aber wachsende Nische und bedienen Märkte, in denen Zuverlässigkeit entscheidend ist, wie Luft‑ und Raumfahrt, Satelliten, Datenrekorder, Patienten‑Überwachungsgeräte usw.

Quelle: Everspin

Das Wachstum von Chipsätzen, KI und synaptischen Systemen könnte ebenfalls einen langfristigen Schub für das Unternehmen darstellen.

2. NVE Corporation

Ein weiterer führender Anbieter im Bereich Spintronik, NVE arbeitet seit seinem ersten Patent zur MRAM‑Technologie im Jahr 1995 an dieser Technologie. Es produziert spintronic‑Sensoren und Isolatoren, die hauptsächlich in Mess‑ und Sensorsystemen für Autos, Getriebe, medizinische Geräte, Stromversorgungen und andere Industrieanlagen eingesetzt werden.

Quelle: NVE

Damit befindet sich NVE in einer etwas anderen Kategorie als Everspin, da NVE eher ein Industrieunternehmen mit einer starken Position in einem Nischenmarkt (Magnetometer auf Basis von Spintronik) ist, während Everspin eher ein Speicher‑/Computing‑Unternehmen ist, das mit Unternehmen wie Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba und Samsung konkurriert, die ebenfalls eigene MRAM‑Produkte entwickeln.

Dies kann die Attraktivität der Aktie je nach Anlegerprofil beeinflussen; die NVE‑Aktie dürfte eher konservative Investoren ansprechen, die nach Dividendenrendite und Sicherheit suchen.

Studie referenziert

^{1. D.Quang To, Federico Garcia‑Gaitan, Yafei Ren, et al. Magnon‑induzierte elektrische Polarisation und Magnon‑Nernst‑Effekte. PNAS. Oktober 23, 2025. https://doi.org/10.1073/pnas.2507255122}