मैग्नॉन्स: ऊर्जा-कुशल चिप्स का भविष्य

मैग्नॉन कंप्यूटिंग: कम-ऊर्जा चिप्स के लिए एक नया मार्ग

जैसे-जैसे अधिक कंप्यूटिंग शक्ति की हमारी मांग बढ़ती है, अब तक उपयोग की गई विधियां धीरे-धीरे अपर्याप्त होती जा रही हैं। विशेष रूप से, सभी सिलिकॉन-आधारित चिप्स, चाहे वे CPU हों, GPU हों, या अन्य, बहुत अधिक ऊर्जा खपत करते हैं।

उपभोग की गई ऊर्जा गर्मी में बदल जाती है, जिसे डेटा सेंटर सर्वरों से हटाया जाना चाहिए, अन्यथा यह इलेक्ट्रॉनिक घटकों को नुकसान पहुंचा सकता है।

इससे ऊर्जा आपूर्ति और कूलिंग नई AI डेटा सेंटरों के लिए प्रमुख सीमाएं बन जाती हैं, जो उन्नत चिप्स के विकास और आपूर्ति जितनी ही, या उससे अधिक, बाधा बनती हैं।

कंप्यूटिंग ऊर्जा खपत को कम करने का एक तरीका स्पिनट्रॉनिक्स अपनाना है, जो इलेक्ट्रॉन स्पिन का उपयोग करके गणना करता है। यह तकनीक पहले से ही हार्ड ड्राइव और डेटा स्टोरेज में उपयोग की जाती है, लेकिन अब गणना में व्यावसायिक अनुप्रयोग के करीब पहुँच रही है।

डेलावेयर विश्वविद्यालय और मैरीलैंड विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने इस लक्ष्य की ओर एक नया कदम उठाया है। उन्होंने पाया कि स्पिन वेव को विद्युत धारा में कैसे बदला जा सकता है, जिससे चुंबकीय सामग्री की गहरी समझ की दिशा में एक मार्ग खुलता है।

उन्होंने अपने निष्कर्ष PNAS¹ में प्रकाशित किए, शीर्षक “Magnon-induced electric polarization and magnon Nernst effects” के तहत।

स्पिनट्रॉनिक्स के लाभ और संभावित अनुप्रयोग

इलेक्ट्रॉनिक घटक, जैसे ट्रांजिस्टर, पारंपरिक रूप से सिलिकॉन से बनते हैं और अर्धचालकों पर निर्भर होते हैं। बाइनरी में 0 और 1 संकेत विद्युत धारा के प्रवाह या अवरोध को दर्शाते हैं।

गणना करने का एक वैकल्पिक तरीका स्पिनट्रॉनिक्स उपकरणों के माध्यम से है, जो इलेक्ट्रॉनों के स्पिन (एक मौलिक क्वांटम विशेषता) पर काम करते हैं, न कि विद्युत धारा (इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह) पर।

स्रोत: Insight IAS

डेटा को स्पिन कोणीय संवेग दोनों में एन्कोड किया जा सकता है, जिसे इलेक्ट्रॉन की अंतर्निहित “ऊपर” या “नीचे” अभिविन्यास के रूप में कल्पना किया जा सकता है, और कक्षीय कोणीय संवेग में, जो वर्णन करता है कि इलेक्ट्रॉन परमाणु नाभिक के चारों ओर कैसे घूमते हैं।

क्योंकि यह केवल 0 और 1 से अधिक जानकारी रखता है, स्पिन पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक्स की तुलना में प्रति परमाणु अधिक डेटा रख सकता है।

स्पिनट्रॉनिक्स के क्लासिकल इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम्स पर कुछ अन्य लाभ हैं, विशेष रूप से:

• तेज़ डेटा, क्योंकि स्पिन को बहुत जल्दी बदला जा सकता है।
• कम ऊर्जा खपत, क्योंकि स्पिन को बदलने के लिए कम शक्ति की आवश्यकता होती है, जितनी इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह को बनाए रखने के लिए आवश्यक होती है।
• जटिल अर्धचालक सामग्री के बजाय सरल धातुओं का उपयोग किया जा सकता है।
• स्पिन अर्धचालक स्थिति की तुलना में कम अस्थिर है, जिससे डेटा स्टोरेज अधिक स्थिर बनता है।

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स्पिनट्रॉनिक्स पहले से ही हार्ड ड्राइव में उपयोग किया जाता है और इसने पिछले दशक में डेटा स्टोरेज क्षमता को बढ़ाने की अनुमति दी है।

“स्पिन इलेक्ट्रॉनों की एक क्वांटम यांत्रिक विशेषता है, जो इलेक्ट्रॉनों द्वारा ले जाया जाने वाला एक छोटा चुंबक है, जो ऊपर या नीचे की ओर संकेत करता है।

हम इलेक्ट्रॉनों के स्पिन का उपयोग करके तथाकथित स्पिनट्रॉनिक्स उपकरणों में जानकारी को स्थानांतरित और प्रक्रिया कर सकते हैं।

Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology

अगली पीढ़ी के स्पिनट्रॉनिक्स के लिए मैग्नॉन्स का नियंत्रण

मैग्नॉन्स की व्याख्या

शोधकर्ताओं ने स्पिन धारा पर ध्यान केंद्रित किया, जिसे मैग्नॉन्स भी कहा जाता है, जो एक चुंबकीय तरंग की तरह कार्य करती है, इलेक्ट्रॉनों के स्पिन को अपनी दिशा में ले जाती है।

स्रोत: Hubpage

मैग्नॉन्स संभावित स्पिनट्रॉनिक उपकरणों का मुख्य भाग हैं। इसका कारण यह है कि जब मैग्नॉन्स इलेक्ट्रॉनों के माध्यम से गुजरते हैं, तो स्वयं इलेक्ट्रॉन स्थिर रहते हैं, जिससे कोई गर्मी नहीं उत्पन्न होती, जो सिलिकॉन चिप्स में प्रमुख सीमा कारक है।

इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने पाया कि मैग्नॉन्स का परिवहन मापनीय विद्युत ध्रुवीकरण उत्पन्न कर सकता है। उन्होंने निकेल-फॉस्फोरस-सेलेनियम (NiPSe3) से बना शहद के छत्ते जैसा संरचना वाला पदार्थ उपयोग किया।

उन्होंने पाया कि उत्पन्न शुद्ध विद्युत ध्रुवीकरण पहले उपयोग किए गए पदार्थों, जैसे मैंगनीज़-फॉस्फोरस-सल्फर (MnPS3), की तुलना में लगभग 1,000 गुना अधिक है।

स्पिन धारा से परे

पहले, अन्य शोध टीमों ने पाया कि मैग्नॉन्स का उपयोग स्पिन हानि को ऊर्जा में बदलने के लिए किया जा सकता है, जिससे स्पिनट्रॉनिक सिस्टम की दक्षता बहुत बढ़ जाती है. अन्य प्रगति चिरल स्पिनट्रॉनिक्स में और स्केलेबल स्पिन-वेव नेटवर्क भी संभावित भविष्य के स्पिनट्रॉनिक-आधारित कंप्यूटरों में आशाजनक जोड़ लाए हैं।

यह अध्ययन और आगे बढ़कर सिद्ध करता है कि मैग्नॉन्स, उनकी चार्ज-न्यूट्रैलिटी के बावजूद, अपने स्पिन और कक्षीय मोमेंट के माध्यम से विद्युत ध्रुवीकरण उत्पन्न कर सकते हैं।

यह कार्य “नरस्ट प्रभाव” के माध्यम से होता है, जब किसी पदार्थ को तापीय ग्रेडिएंट और चुंबकीय क्षेत्र दोनों के अधीन किया जाता है तो विद्युत क्षेत्र बनता है।

और भी महत्वपूर्ण यह है कि उन्होंने पाया कि शुद्ध विद्युत ध्रुवीकरण को बाहरी चुंबकीय क्षेत्रों द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है (एक विधि जिसे मैग्नॉन हाइब्रिडाइज़ेशन कहा जाता है)।

इन निष्कर्षों से पता चलता है कि विद्युत क्षेत्रों का उपयोग उनके स्पिन और कक्षीय कोणीय गति को उपयोग में लाकर कुछ स्थितियों में मैग्नॉन्स को पहचानने और नियंत्रित करने दोनों के लिए किया जा सकता है।

एकीकृत चुंबकीय कंप्यूटिंग मॉडल की ओर

यह खोज उसी टीम के पिछले कार्य पर आधारित थी, जिसने स्पिन, मैग्नॉन्स, और इलेक्ट्रॉनों की कक्षाओं की एकीकृत समझ बनाने की कोशिश की।

“इन परिणामों ने मैग्नॉनिक्स, स्पिनऑर्बिट्रॉनिक्स, और ऑर्बिट्रॉनिक्स में प्रगति को एकीकृत करके एक एकीकृत ढांचा बनाया है, जिसका उपयोग चुंबकीय स्थितियों के हेरफेर को समझने और नियंत्रित करने के लिए किया जा सकता है।”

यह नवीनतम खोज मैग्नॉन्स को स्पिनट्रॉनिक्स के अंतर्निहित रोचक घटनाओं से पूर्णतः नियंत्रित प्रभावों में बदल सकती है, जो चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करती है।

यह एक सैद्धांतिक ढांचा भी बनाता है, जो बाद में महत्वपूर्ण मैग्नॉन कक्षीय मोमेंट वाले पदार्थों की खोज या अभियांत्रिकी में उपयोगी होगा, जिससे उनके मैग्नॉन गुणों को इच्छानुसार आसानी से नियंत्रित किया जा सकेगा।

इसलिए जबकि स्पिनट्रॉनिक्स चिप्स अभी तक AI डेटा सेंटरों और कंप्यूटरों में नियमित रूप से एकीकृत होने के लिए तैयार नहीं हैं, वे सैद्धांतिक और व्यावहारिक इंजीनियरिंग स्तरों पर बहुत तेज़ी से एकीकृत समझ की ओर बढ़ रहे हैं।

इसके परिणामस्वरूप, यह क्लासिकल और क्वांटम दोनों प्रकार के अगले पीढ़ी के कंप्यूटरों के निर्माण में महत्वपूर्ण प्रभाव डाल सकता है।

इस बीच, कंपनियां पहले से ही मेमोरी इलेक्ट्रॉनिक्स और सेंसर बनाने के लिए स्पिनट्रॉनिक्स का उपयोग कर रही हैं, और वे भविष्य में अधिक उन्नत स्पिनट्रॉनिक्स चिप्स बनाने में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकती हैं।

स्पिनट्रॉनिक्स में निवेश

1. Everspin Technologies

Everspin Freescale (अब NXP के नाम से जाना जाता है) की एक शाखा है, जो MRAM मेमोरी सिस्टम विकसित करने के लिए समर्पित है। यह Freescale से अलग हुई और 2016 में IPO किया गया।

Everspin को MRAM तकनीक (मैग्नेटोरेसिस्टिव रैंडम-एक्सेस मेमोरी) का नेता माना जाता है, जो Freescale के 2006 में MRAM चिप को व्यावसायिक बनाने वाले पहले के अनुभव को विरासत में लेता है।

क्योंकि MRAM एक ऐसी मेमोरी है जो बिना धारा के भी बनी रहती है, इसका उपयोग संवेदनशील मामलों में बढ़ता जा रहा है जहाँ महत्वपूर्ण डेटा का नुकसान जोखिमपूर्ण होता है।

डेटा एनालिटिक्स, क्लाउड कंप्यूटिंग, दोनों स्थलीय और बाह्यस्थलीय, कृत्रिम बुद्धिमत्ता (AI), और एज AI सहित औद्योगिक IoT जैसी व्यापक अनुप्रयोगों द्वारा प्रेरित, स्थायी मेमोरी का बाजार 2020 से 2030 के बीच 27.5% की CAGR पर बढ़ने की संभावना है।

Everspin

स्रोत: Everspin

कंपनी का अनुमान है कि बाजार 2027 तक $7.4 बिलियन का आकार प्राप्त करेगा। कंपनी ने 2021 से कोई ऋण नहीं लिया है और सकारात्मक मुक्त नकदी प्रवाह रखती है।

Everspin MRAM उत्पाद वर्तमान में एक छोटा लेकिन बढ़ता हुआ निशा में हैं, ऐसे बाजारों की सेवा करते हैं जहाँ विश्वसनीयता महत्वपूर्ण है, जैसे एयरोस्पेस, उपग्रह, डेटा रिकॉर्डर, रोगी मॉनिटरिंग डिवाइस आदि।

स्रोत: Everspin

चिपसेट, AI, और सिनैप्टिक सिस्टम्स की वृद्धि भी कंपनी के लिए दीर्घकालिक प्रोत्साहन हो सकती है।

2. NVE Corporation

स्पिनट्रॉनिक्स का एक और नेता, NVE ने 1995 में MRAM तकनीक में अपने पहले पेटेंट से इस तकनीक पर काम करना शुरू किया है. यह स्पिनट्रॉनिक सेंसर और आइसोलेटर बनाता है, जो मुख्यतः कारों, गियर्स, मेडिकल डिवाइस, पावर सप्लाई और अन्य औद्योगिक उपकरणों के मापन और सेंसर सिस्टम में उपयोग होते हैं।

स्रोत: NVE

यह NVE को Everspin से कुछ अलग श्रेणी में रखता है, जहाँ NVE एक औद्योगिक कंपनी है जिसका निचे मार्केट (स्पिनट्रॉनिक्स का उपयोग करने वाला मैग्नेटोमीटर) में मजबूत स्थान है, जबकि Everspin अधिकतर मेमोरी/कम्प्यूटिंग कंपनी है जो Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba, और Samsung जैसे प्रतिस्पर्धियों के साथ काम करती है, जो भी अपना MRAM उत्पाद विकसित कर रहे हैं।

यह स्टॉक को निवेशकों की प्रोफ़ाइल के आधार पर अधिक (या कम) आकर्षक बना सकता है, जहाँ NVE का स्टॉक उन अधिक रूढ़िवादी निवेशकों को आकर्षित करने की संभावना रखता है जो डिविडेंड यील्ड और सुरक्षा की तलाश में हैं।

अध्ययन संदर्भित

^{1. D.Quang To, Federico Garcia-Gaitan, Yafei Ren, et al. Magnon-induced electric polarization and magnon Nernst effects. PNAS.  23 अक्टूबर, 2025. https://doi.org/10.1073/pnas.2507255122}