Magnonit: Energiatehokkaiden sirujen tulevaisuus

Magnon Laskenta: Uusi polku energiatehokkaisiin siruihin

Kun tietojenkäsittelyn tehovaatimuksemme kasvavat, tähän mennessä käytetyt menetelmät alkavat hitaasti olla riittämättömiä. Erityisesti kaikki piisiruihin perustuvat sirut, kuten CPU:t, GPU:t tai muut, kuluttavat paljon energiaa.

Kulutettu energia muuttuu lämmöksi, joka on poistettava datakeskusten palvelimista, muuten se voi vahingoittaa elektronisia komponentteja.

Tämä tekee energiansaannista ja jäähdytyksestä merkittävimmät rajoitteet uusille AI-datakeskuksille, yhtä paljon tai jopa enemmän kuin kehittyneiden sirujen kehitys ja toimitus.

Yksi tapa vähentää tietojenkäsittelyn energiankulutusta on omaksua spintroniikka, joka käyttää elektronin spiniä laskennan suorittamiseen. Tämä teknologia on jo käytössä kiintolevyissä ja tietojen tallennuksessa, mutta lähestyy nopeasti kaupallista sovellusta myös laskennassa.

Uusi askel kohti tätä tavoitetta on otettu Delaware‑yliopiston ja Maryland‑yliopiston tutkijoiden toimesta. He löysivät, miten spini‑aallot voidaan muuntaa sähkövirraksi, mikä avaa polun syvempään magneettisten materiaalien ymmärtämiseen.

He julkaisi löydöksensä PNAS¹-lehdessä otsikolla “Magnon-indusoima sähköinen polarisaatio ja magnon Nernst -efektit”.

Spintroniikan edut ja mahdolliset sovellukset

Elektroniset komponentit, kuten transistorit, rakennetaan perinteisesti piistä ja ne perustuvat puolijohteisiin. Binäärin 0- ja 1-signaalit ilmaisevat sähkövirran kulkemisen tai estämisen.

Vaihtoehtoinen tapa suorittaa laskentaa on spintroniikkalaitteiden avulla, jotka toimivat elektronin spinin (perustavanlaatuinen kvanttinen ominaisuus) perusteella, eikä sähkövirran (elektronien virtaus) avulla.

Lähde: Insight IAS

Data voidaan koodata sekä spini‑kulmanmomenttiin, joka voidaan kuvitella elektronin sisäänrakennetuksi “ylös” tai “alas” -asennoksi, että orbitaliseen kulmanmomenttiin, joka kuvaa, miten elektronit liikkuvat atomiytimen ympärillä.

Koska tämä sisältää enemmän tietoa kuin pelkkä 0 ja 1, spini voi sisältää enemmän dataa per atomi kuin perinteinen elektroniikka.

Spintroniikalla on muutamia muita etuja perinteisiin elektronisiin järjestelmiin, erityisesti:

• Nopeampaa dataa, koska spiniä voidaan muuttaa paljon nopeammin.
• Vähemmän energiankulutusta, koska spiniä voidaan muuttaa vähemmällä teholla kuin tarvitaan elektronivirran ylläpitämiseen.
• Yksinkertaisia metalleja voidaan käyttää monimutkaisten puolijohdemateriaalien sijaan.
• Spini on vähemmän haihtuva kuin puolijohteen tila, mikä tekee tietojen tallennuksesta vakaampaa.

Pyyhkäise vierittääksesi →

Spintroniikkaa käytetään jo kiintolevyissä, ja se on mahdollistanut tietojen tallennuskapasiteetin kasvun viimeisen vuosikymmenen aikana.

“Spini on kvanttimekaaninen ominaisuus elektroneilla, joka on kuin pieni magneetti, jonka elektronit kantavat, osoittaen ylös tai alas.

Voimme hyödyntää elektronin spiniä tiedon siirtämiseen ja käsittelyyn niin kutsutuissa spintroniikkalaitteissa.

Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology

Magnonien hallinta seuraavan sukupolven spintroniikassa

Magnonit selitettynä

Tutkijat keskittyivät spinvirtoihin, joita kutsutaan myös magnoneiksi, jotka toimivat kuin magneettiaallot, liikuttaen elektronien spiniä matkan varrella.

Lähde: Hubpage

Magnonit ovat keskeinen osa potentiaalisia spintroniikkalaitteita. Tämä johtuu siitä, että kun elektronit pysyvät paikallaan magnoneiden kulkiessa niiden läpi, ei synny lämpöä, joka täytyisi poistaa – tämä on suurin rajoittava tekijä piisirussa.

Tässä tutkimuksessa tutkijat havaitsivat, että magnonien kuljetus voi aiheuttaa mitattavan sähköisen polarisaation. He käyttivät hunajakennoa muistuttavaa materiaalia, joka koostuu nikkelifosfori-seleniudesta (NiPSe3).

He havaitsivat, että induktoitu netto-sähköinen polarisaatio on noin 1 000‑kertainen suurempi kuin aiemmin käytetyissä materiaaleissa, kuten mangaanifosfori-sulfurissa (MnPS3).

Spinvirtojen ulkopuolella

Aikaisemmin muut tutkimusryhmät havaitsivat, että magnoneja voidaan käyttää spinihäviön muuntamiseen energiaksi, mikä lisää merkittävästi spintroniikkajärjestelmien tehokkuutta. Muut edistysaskeleet kierrossa spintroniikassa ja skaalautuvat spin-aaltoverkot toivat myös lupaavia lisäyksiä potentiaalisille tulevaisuuden spintroniikkapohjaisille tietokoneille.

Tämä tutkimus menee vielä pidemmälle todistaen, että magnonit, huolimatta niiden varausneutraaliudesta, voivat aiheuttaa sähköisen polarisaation spini- ja orbitalimomenttiensa kautta.

Se toimii “Nernstin vaikutuksen” kautta, eli sähköisen kentän syntyessä, kun materiaalia altistetaan sekä lämpögradientille että magneettikentälle.

Entistä tärkeämpää on, että he havaitsivat myös, että netto-sähköistä polarisaatiota voidaan hallita ulkoisilla magneettikentillä (menetelmä, jota kutsutaan magnonihybridisaatioksi).

Nämä havainnot osoittavat, että sähköisiä kenttiä voitaisiin käyttää sekä magnonien havaitsemiseen että manipuloimiseen tietyissä olosuhteissa hyödyntäen niiden spini- ja orbitalikulmanmomentteja.

Kohti yhtenäistä magneettista laskentamallia

Tämä löytö perustui samassa tiimissä aiemmin tehtyyn työhön, jossa pyrittiin luomaan yhtenäinen ymmärrys spinnistä, magnoneista ja elektronien orbiteista.

“Nämä tulokset yhdistävät edistysaskeleet magnonikassa, spinorbitoniikassa ja orbitoniikassa luodakseen yhtenäisen kehyksen, jota voidaan käyttää magneettisten tilojen ymmärtämiseen ja hallintaan.”

Tämä viimeisin löytö voi muuttaa magnonit mielenkiintoisista spintroniikan taustalla olevista ilmiöistä täysin hallittaviksi vaikutuksiksi magneettikenttien avulla.

Se myös luo teoreettisen kehyksen, joka myöhemmin on hyödyllinen merkittävien magnonien orbitalimomenttien omaavien materiaalien löytämisessä tai suunnittelussa, jolloin niiden magnon-ominaisuuksia on helpompi manipuloida halutulla tavalla.

Vaikka spintroniikkasirut eivät ole vielä valmiita säännöllisesti integroitaviksi AI-datakeskuksiin ja tietokoneisiin, ne kehittyvät erittäin nopeasti kohti yhtenäistä ymmärrystä sekä teoreettisella että käytännöllisellä insinööritasolla.

Tämä puolestaan voi vaikuttaa merkittävästi siihen, miten rakennamme seuraavan sukupolven sekä klassisia että kvanttitietokoneita.

Sillä välin yritykset käyttävät jo spintroniikkaa muistin elektroniikan ja antureiden rakentamiseen, ja se voi olla keskeinen tekijä kehittyneempien spintroniikkasirujen luomisessa tulevaisuudessa.

Spintroniikkaan sijoittaminen

1. Everspin Technologies

Everspin on Freescale‑yrityksen (nykyisin NXP) haara, joka on omistautunut MRAM-muistijärjestelmien kehittämiseen. Se irrotettiin Freescale‑yrityksestä ja listautui pörssiin vuonna 2016.

Everspiniä pidetään MRAM-teknologian (magnetoresistiivisen satunnaiskäyttömuistin) johtajana, perien Freescale‑kokemuksen siitä, että se oli ensimmäinen, joka kaupallisti MRAM-sirun vuonna 2006.

Koska MRAM on muisti, joka säilyy myös ilman virtaa, sitä käytetään yhä enemmän herkissä sovelluksissa, joissa kriittinen data on liian tärkeä menettää.

Laajojen sovellusten, kuten data-analytiikan, pilvilaskennan, sekä maapallon että avaruuden, tekoälyn (AI) ja reunalaskennan, mukaan lukien teollinen IoT, ohjaamana, pysyvän muistin markkinoiden odotetaan kasvavan 27,5 % vuosivauhdilla vuosina 2020–2030

Everspin

Lähde: Everspin

Yritys arvioi markkinoiden saavuttavan 7,4 miljardia dollaria vuoteen 2027 mennessä. Yrityksellä ei ole velkaa ja se on tuottanut positiivista vapaata kassavirtaa vuodesta 2021 lähtien.

Everspinin MRAM-tuotteet vievät tällä hetkellä pientä, mutta kasvavaa markkinarakoa, palvellen sektoreita, joissa luotettavuus on ratkaisevaa, kuten avaruusteollisuus, satelliitit, tietojen tallentimet, potilasvalvontalaitteet ym.

Lähde: Everspin

Sirujen, tekoälyn ja synaptisten järjestelmien kasvu voi myös pitkällä aikavälillä tukea yritystä.

2. NVE Corporation

Toinen spintroniikan johtaja, NVE on työskennellyt tämän teknologian parissa ensimmäisen MRAM‑patentin jälkeen vuonna 1995. Se valmistaa spintroniikk­a antureita ja eristimiä, joita käytetään pääasiassa mittaus- ja anturijärjestelmissä autoille, vaihteille, lääketieteellisille laitteille, virtalähteille ja muille teollisuuslaitteille.

Lähde: NVE

Tämä asettaa NVE:n hieman eri kategoriaan kuin Everspin, sillä NVE on enemmän teollisuusyritys, jolla on vahva asema kapealla markkinalla (spintroniikkaa hyödyntävä magnetometri), kun taas Everspin on enemmän muisti‑/laskentayritys, joka toimii ja kilpailee Intelin, Qualcommin, Toshiban ja Samsungin kaltaisten yritysten kanssa, jotka myös kehittävät omia MRAM‑tuotteitaan.

Se voi tehdä osakkeesta houkuttelevamman (tai vähemmän) riippuen sijoittajien profiileista, ja NVE:n osake todennäköisemmin vetoaa konservatiivisempiin sijoittajiin, jotka etsivät osinkotuottoa ja turvallisuutta.

Viitattu tutkimus

^{1. D.Quang To, Federico Garcia-Gaitan, Yafei Ren, et al. Magnon-indusoima sähköinen polarisaatio ja magnon Nernst -efektit. PNAS. 23. lokakuuta 2025. https://doi.org/10.1073/pnas.2507255122}  (INTC ) (QCOM )