Magnon: Masa Depan Chip Hemat Energi

Komputasi Magnon: Jalan Baru Menuju Chip Hemat Energi

As our demand for more computing power grows, the methods used until now are slowly becoming insufficient. Most notably, all silicon-based chips, be it CPUs, GPUs, or others, tend to consume a lot of energy.

Energi yang dikonsumsi ini diubah menjadi panas, yang harus dibuang dari server pusat data, jika tidak dapat merusak komponen elektronik.

Hal ini menyebabkan pasokan energi dan pendinginan menjadi batasan utama bagi pusat data AI baru, bahkan mungkin lebih penting daripada pengembangan dan pasokan chip canggih.

Salah satu cara untuk mengurangi konsumsi energi komputasi adalah mengadopsi spintronik, yang menggunakan spin elektron untuk melakukan perhitungan. Teknologi ini sudah digunakan untuk hard drive dan penyimpanan data, namun kini semakin mendekati aplikasi komersial dalam komputasi.

Langkah baru menuju tujuan ini telah diambil oleh peneliti di University of Delaware dan University of Maryland. Mereka menemukan cara gelombang spin dapat diubah menjadi arus listrik, membuka jalur menuju pemahaman yang lebih dalam tentang material magnetik.

Mereka mempublikasikan temuan mereka di PNAS¹, dengan judul “Polarisasi listrik yang diinduksi oleh magnon dan efek Nernst magnon”.

Keunggulan Spintronik dan Aplikasi Potensial

Electronic components, such as transistors, are traditionally built from silicon and rely on semiconductors. The 0 and 1 signals in binary indicate the passing or blocking of an electric current.

Cara alternatif untuk melakukan komputasi adalah melalui perangkat spintronik, yang beroperasi menggunakan spin elektron (karakteristik kuantum fundamental) bukan arus listrik (aliran elektron).

Sumber: Insight IAS

Data dapat dikodekan baik dalam momentum sudut spin, yang dapat dibayangkan sebagai orientasi “atas” atau “bawah” bawaan elektron, maupun momentum sudut orbital, yang menggambarkan bagaimana elektron bergerak mengelilingi inti atom.

Karena ini mengandung lebih banyak informasi daripada sekadar 0 & 1, spin dapat menyimpan lebih banyak data per atom dibandingkan elektronik tradisional.

Spintronik memiliki beberapa keuntungan lain dibandingkan sistem elektronik klasik, khususnya:

• Data lebih cepat, karena spin dapat diubah jauh lebih cepat.
• Konsumsi energi lebih rendah, karena spin dapat diubah dengan daya yang lebih sedikit dibandingkan yang diperlukan untuk mempertahankan aliran elektron guna menghasilkan arus.
• Logam sederhana dapat digunakan alih-alih material semikonduktor yang kompleks.
• Spin kurang volatil dibandingkan status semikonduktor, menjadikan penyimpanan data lebih stabil.

Geser untuk menggulir →

Spintronik sudah digunakan untuk hard drive dan telah memungkinkan kapasitas penyimpanan data tumbuh selama dekade terakhir.

“Spin adalah sifat mekanik kuantum dari elektron, yang seperti magnet kecil yang dibawa oleh elektron, mengarah ke atas atau ke bawah.

Kita dapat memanfaatkan spin elektron untuk mentransfer dan memproses informasi dalam perangkat yang disebut spintronik.

Talieh Ghiasi – Peneliti Postdoc di Delft University of Technology

Mengendalikan Magnon untuk Spintronik Generasi Berikutnya

Penjelasan Magnon

The researchers focused on spin currents, also called magnons, which act like a magnetic wave, moving the electrons’ spins along their way.

Sumber: Hubpage

Magnon adalah bagian kunci dari perangkat spintronik potensial. Hal ini karena, ketika elektron tetap diam saat magnon melaluinya, tidak ada panas yang harus dibuang, faktor pembatas utama pada chip silikon.

Dalam studi ini, para peneliti menemukan bahwa transportasi magnon dapat menghasilkan polarisasi listrik yang dapat diukur. Mereka menggunakan material yang terstruktur seperti sarang lebah terbuat dari nikel-fosfor-selenium (NiPSe3).

Mereka menemukan bahwa polarisasi listrik bersih yang diinduksi sekitar 1.000 kali lebih besar dibandingkan material yang sebelumnya digunakan, seperti mangan-fosfor-sulfur (MnPS3).

Melebihi Arus Spin

Previously, other research teams found that magnons can be used to convert spin loss into energy, greatly increasing the efficiency of spintronics systems. Other progresses in chiral spintronics and scalable spin-wave networks also brought promising additions to potential future spintronic-based computers.

Studi ini melangkah lebih jauh dengan membuktikan bahwa magnon, meskipun netral muatan, dapat menghasilkan polarisasi listrik melalui momen spin dan orbitalnya.

Cara kerjanya melalui “Efek Nernst”, penciptaan medan listrik ketika suatu material dikenai gradien suhu dan medan magnet secara bersamaan.

Lebih penting lagi, mereka juga menemukan bahwa polarisasi listrik bersih dapat dikendalikan oleh medan magnet eksternal (metode yang disebut hibridisasi magnon).

Temuan ini mengungkapkan bahwa medan listrik dapat digunakan untuk mendeteksi dan memanipulasi magnon dalam kondisi tertentu dengan memanfaatkan spin dan momen sudut orbitalnya.

Menuju Model Komputasi Magnetik Terpadu

This discovery was built on previous work by the same team that looked at creating a unified understanding of spin, magnons, and electrons’ orbits altogether.

“Hasil ini mengintegrasikan kemajuan dalam magnonik, spinorbitik, dan orbitik untuk menciptakan kerangka kerja terpadu yang dapat digunakan untuk memahami dan mengendalikan manipulasi keadaan magnetik.”

Penemuan terbaru ini dapat mengubah magnon dari fenomena menarik yang mendasari spintronik menjadi efek yang sepenuhnya dapat dikendalikan, menggunakan medan magnet.

Ini juga menciptakan kerangka teoritis yang nantinya akan berguna untuk menemukan atau merancang material dengan momen orbital magnon yang signifikan, sehingga sifat magnon mereka lebih mudah dimanipulasi sesuka hati.

Jadi meskipun chip spintronik belum siap untuk diintegrasikan secara rutin ke pusat data AI dan komputer, mereka berkembang sangat cepat menuju pemahaman terpadu, baik pada tingkat teoritis maupun rekayasa praktis.

Sebaliknya, hal ini dapat memiliki implikasi penting bagi cara kita membangun generasi berikutnya dari komputer klasik maupun kuantum.

Sementara itu, spintronik sudah digunakan oleh perusahaan untuk membangun elektronik memori dan sensor, dan mereka mungkin berperan penting dalam menciptakan chip spintronik yang lebih maju di masa depan.

Investasi dalam Spintronik

1. Everspin Technologies

Everspin adalah cabang dari Freescale (sekarang dikenal sebagai NXP

(NXPI )) yang didedikasikan untuk mengembangkan sistem memori MRAM. Ia dipisahkan dari Freescale dan melakukan IPO pada 2016.

Everspin dianggap sebagai pemimpin teknologi MRAM (Magnetoresistive Random-Access Memory), mewarisi pengalaman Freescale sebagai yang pertama mengkomersialkan chip MRAM pada 2006.

Karena MRAM adalah memori yang tetap ada bahkan tanpa arus, ia semakin banyak digunakan dalam kasus penggunaan sensitif di mana data kritis terlalu penting untuk berisiko hilang.

Didorong oleh aplikasi yang meluas seperti analitik data, komputasi awan, baik terestrial maupun ekstraterestrial, kecerdasan buatan (AI), dan Edge AI, termasuk Industrial IoT, pasar memori persisten diproyeksikan tumbuh pada CAGR sebesar 27,5% antara 2020 dan 2030

Everspin

Sumber: Everspin

Perusahaan memperkirakan pasar akan mencapai ukuran $7,4 miliar pada 2027. Perusahaan tidak memiliki hutang dan memiliki arus kas bebas positif sejak 2021.

Produk MRAM Everspin saat ini menempati ceruk kecil namun berkembang, melayani pasar di mana keandalan sangat penting, seperti dirgantara, satelit, perekam data, perangkat pemantauan pasien, dll.

Sumber: Everspin

Pertumbuhan chipset, AI, dan sistem sinaptik juga dapat menjadi dorongan jangka panjang bagi perusahaan.

2. NVE Corporation

Pemimpin lain dalam spintronik, NVE telah mengerjakan teknologi ini sejak paten pertamanya dalam teknologi MRAM pada 1995. Ia memproduksi sensor spintronik dan isolator, yang sebagian besar digunakan dalam sistem pengukuran dan sensor untuk mobil, gear, perangkat medis, catu daya, dan perangkat industri lainnya.

Sumber: NVE

Hal ini menempatkan NVE dalam kategori yang agak berbeda dibandingkan Everspin, dengan NVE lebih sebagai perusahaan industri yang memiliki posisi kuat di pasar niche (magnetometer menggunakan spintronik), sementara Everspin lebih sebagai perusahaan memori/komputasi yang bekerja dan bersaing dengan perusahaan seperti Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba, dan Samsung, yang juga mengembangkan produk MRAM mereka sendiri.

Hal ini dapat membuat sahamnya lebih (atau kurang) menarik tergantung pada profil investor, dengan saham NVE lebih cenderung menarik bagi investor konservatif yang mencari dividen dan keamanan.

Studi Dirujuk

^{1. D.Quang To, Federico Garcia-Gaitan, Yafei Ren, et al. Polarisasi listrik yang diinduksi oleh magnon dan efek Nernst magnon. PNAS. 23 Oktober 2025. https://doi.org/10.1073/pnas.2507255122}