Spintronik: Masa Depan Komputasi Hemat Energi

Bagaimana Spintronik Dapat Merevolusi Komputasi

Secara bertahap, dunia perangkat keras komputasi mulai melihat melampaui chip silikon, atau bahkan bentuk klasik komputasi biner secara keseluruhan. Hal ini karena chip dan memori biasa di komputer serta pusat data kita semakin sulit dibangun, dengan generasi terbaru memiliki transistor yang hanya berukuran beberapa nanometer.

Faktor lain adalah konsumsi energi yang semakin menjadi masalah seiring permintaan daya komputasi, khususnya untuk sistem AI, terus meningkat.

Ada banyak solusi yang diusulkan, dengan komputasi kuantum dan fotonik menjadi opsi paling menonjol untuk mengurangi permintaan komputasi atau membuatnya lebih cepat dan kurang intensif energi.

Lainnya adalah spintronik, yang memanfaatkan spin elektron, sebuah karakteristik kuantum, alih-alih arus listrik (aliran elektron).

Para ilmuwan sedang berupaya membuat spintronik begitu efisien sehingga dapat menggantikan sebagian besar kebutuhan komputasi kita.

Sebuah makalah ilmiah terbaru oleh peneliti di Korea Institute of Science and Technology (KIST), Seoul National University, Kunsan National University (Korea), Yonsei University, dan Johannes Gutenberg University Mainz (Jerman) menemukan bahwa kehilangan spin dapat dikonversi kembali menjadi magnetisasi, menjadikan elektronik spintronik lebih hemat energi.

Mereka mempublikasikan hasilnya di Nature Communications¹, dengan judul “Pengalihan magnetisasi yang dipicu oleh dissipasi spin magnonik”.

Penemuan terbaru lainnya oleh peneliti di Chinese Academy of Sciences, National Synchrotron Radiation Laboratory (China), ShanghaiTech University, dan Beihang University adalah cara menggunakan ketidaksempurnaan dalam material spintronik untuk membuat elektronik lebih cepat, lebih pintar, dan lebih efisien.

Mereka mempublikasikan hasilnya di Nature Materials², dengan judul “Skala tidak konvensional dari efek Hall orbital”.

Keunggulan Spintronik dan Potensi Aplikasinya

Komponen elektronik, seperti transistor, secara tradisional dibuat dari silikon dan bergantung pada semikonduktor. Sinyal 0 dan 1 dalam biner menunjukkan aliran atau pemblokiran arus listrik.

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

Sumber: Insight IAS

Data dapat dikodekan baik dalam momentum sudut spin, yang dapat dibayangkan sebagai orientasi “naik” atau “turun” 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, antara lain:

• 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 naik atau turun.

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

Talieh Ghiasi – Peneliti Postdoc di Delft University of Technology

Mengatasi Tantangan Material dalam Spintronik

Meskipun memiliki keunggulan ini, spintronik belum mendapatkan daya tarik komersial. Hal ini sebagian disebabkan oleh peran cacat material. Memperkenalkan ketidaksempurnaan ke dalam material kadang dapat mempermudah “menulis” data ke dalam bit memori dengan mengurangi arus yang dibutuhkan.

Namun, cacat tersebut juga meningkatkan resistansi listrik dan mengurangi konduktivitas Hall spin, sehingga penggunaan spin untuk mengkodekan data menjadi jauh lebih menantang.

Salah satu solusi mungkin menggunakan strontium ruthenate (SrRuO3), sebuah oksida logam transisi yang sifatnya dapat disetel secara halus.

Rekayasa cermat terhadap cacat dalam material menggunakan perangkat yang dirancang khusus dan teknik pengukuran presisi mengubah cara spin bereaksi terhadapnya.

“Proses hamburan yang biasanya menurunkan kinerja sebenarnya memperpanjang masa hidup momentum sudut orbital, sehingga meningkatkan arus orbital.”

Dr. Xuan Zheng – Chinese Academy of Sciences

Ini sangat berbeda dari sistem berbasis spin konvensional. Dalam percobaan ini, modulasi konduktivitas yang disesuaikan menghasilkan peningkatan efisiensi energi pengalihan sebesar 3 kali.

“Pekerjaan ini pada dasarnya menulis ulang buku pedoman untuk merancang perangkat ini. Alih-alih melawan ketidaksempurnaan material, kini kita dapat memanfaatkannya.”

Prof. Zhiming Wang – Chinese Academy of Sciences

Komputasi Hemat Energi dengan Spintronik

Magnetisme dan Spin

Dengan spin sebagai karakteristik partikel elektron, tidak mengherankan bahwa peneliti menemukan hubungan baru antara spin dan magnetisasi material elektronik.

Para peneliti Korea sedang mempelajari hubungan ini. Secara tradisional, mengalihkan magnetisasi komponen elektronik antara 1 dan 0 memerlukan arus besar untuk membalik arah magnetisasi. Proses ini menghasilkan kehilangan spin, yang dianggap sebagai sumber utama pemborosan daya dan efisiensi yang buruk.

Alih-alih mencoba mengurangi kehilangan ini dan menurunkan dissipasi spin, mereka berusaha memanfaatkannya dengan menggabungkan satu logam ferromagnetik dengan isolator antiferromagnetik.

Sumber: Nature Materials

Sumber: Nature Materials

Arus Spin

Para peneliti memfokuskan pada arus spin, yang juga disebut magnon.

Sumber: Hubpage

Mereka menemukan bahwa efisiensi konversi spin-ke-magnon paling tinggi ketika sumbu mudah magnetokristalin (n) paling dekat dengan polarisasi spin (μ).

Dalam praktiknya, ini berarti kehilangan spin digunakan untuk menyediakan energi yang diperlukan untuk menginduksi perubahan status magnetik material. 

Sumber: Nature Materials

Dapat Diskalakan dengan Teknik Saat Ini

Metode ini mengadopsi struktur perangkat sederhana yang kompatibel dengan proses manufaktur semikonduktor yang ada.

“Sampai saat ini, bidang spintronik hanya berfokus pada mengurangi kehilangan spin, tetapi kami telah memperkenalkan arah baru dengan menggunakan kehilangan tersebut sebagai energi untuk menginduksi pengalihan magnetisasi,”

Dr. Dong-Soo Han – Peneliti senior di KIST.

Hal ini membuatnya sangat layak untuk produksi massal, dan juga menguntungkan untuk miniaturisasi serta integrasi tinggi, sesuatu yang dapat secara drastis memperlambat adopsi desain baru yang lebih radikal dalam elektronik.

Oleh karena itu, penemuan ini dapat segera diterapkan dalam memori dan komputasi semikonduktor AI, memori ultra-hemat daya, komputasi neuromorfik, dan perangkat komputasi berbasis probabilitas.

Karena bidang-bidang ini sudah berkembang pesat, hal ini dapat memberikan teknologi ini jendela peluang yang besar.

“Kami berencana secara aktif mengembangkan perangkat semikonduktor AI yang ultra-kecil dan berdaya rendah, karena mereka dapat menjadi dasar bagi teknologi komputasi ultra-hemat daya yang penting di era AI.”

Dr. Dong-Soo Han – Peneliti senior di KIST.

Kesimpulan

Spintronik sejauh ini terbatas pada teknologi hard drive, namun kini berubah dengan cepat berkat pemahaman yang lebih baik tentang cara memanipulasi dan menggunakan spin elektron.

Hal ini seharusnya menciptakan jenis elektronik baru, tidak begitu lebih kuat seperti yang umum pada chip baru & lebih kecil, tetapi lebih hemat energi dan bahkan lebih mudah diproduksi, kedua hal ini penting karena konsumsi energi semakin menjadi kendala dalam penerapan pusat data AI dan komputasi tepi (seperti untuk mobil otonom atau robotika).

Perusahaan Spintronik

1. Everspin Technologies

Everspin adalah cabang dari Freescale (sekarang dikenal sebagai NXP, kode saham NXPI) yang didedikasikan untuk mengembangkan sistem memori MRAM. Perusahaan ini dipisahkan dan go public pada tahun 2016.

Everspin dianggap sebagai pemimpin teknologi MRAM (Magnetoresistive Random-Access Memory), mewarisi pengalaman Freescale sebagai yang pertama mengkomersialkan chip MRAM pada tahun 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 di bumi maupun luar angkasa, kecerdasan buatan (AI), dan Edge AI, termasuk Industrial IoT, pasar memori persisten diproyeksikan tumbuh dengan CAGR 27,5% antara 2020 dan 2030

Everspin

Sumber: Everspin

Perusahaan memperkirakan pasar akan mencapai ukuran $7,4 miliar pada tahun 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 tahun 1995. Perusahaan ini 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 bersaing dengan 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 yang Dirujuk

<sup>1. Peng, S., Zheng, X., Li, S. et al. Skala tidak konvensional dari efek Hall orbital. Nature Materials. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02326-3
2. Choi, WY., Ha, JH., Jung, MS. et al. Pengalihan magnetisasi yang dipicu oleh dissipasi spin magnonik. Nature Communications 16, 5859 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61073-w</sup>