Magnoni: Il Futuro dei Chip a Basso Consumo Energetico

Computazione a Magnoni: Un Nuovo Percorso verso Chip a Basso Consumo Energetico

Man mano che la nostra domanda di maggiore potenza di calcolo cresce, i metodi utilizzati finora stanno lentamente diventando insufficienti. In particolare, tutti i chip basati su silicio, siano essi CPU, GPU o altri, tendono a consumare molta energia.

Questa energia consumata viene convertita in calore, che deve essere dissipato dai server dei data center, altrimenti può danneggiare i componenti elettronici.

Ciò fa sì che l’approvvigionamento energetico e il raffreddamento diventino le principali limitazioni per i nuovi data center AI, tanto quanto, se non di più, lo sviluppo e la fornitura di chip avanzati.

Un modo per ridurre il consumo energetico del calcolo è adottare lo spintronica, che utilizza gli spin degli elettroni per eseguire la computazione. Questa è una tecnologia già usata per hard disk e archiviazione dati, ma si sta avvicinando rapidamente all’applicazione commerciale anche nella computazione.

Un nuovo passo verso questo obiettivo è stato compiuto da ricercatori dell’Università del Delaware e dell’Università del Maryland. Hanno scoperto come le onde di spin possano essere trasformate in corrente elettrica, rivelando un percorso verso una comprensione più profonda dei materiali magnetici.

Hanno pubblicato i loro risultati su PNAS¹, con il titolo “Polarizzazione elettrica indotta da magnon e effetti Nernst dei magnon”.

Vantaggi della Spintronica e Applicazioni Potenziali

I componenti elettronici, come i transistor, sono tradizionalmente costruiti in silicio e si basano sui semiconduttori. I segnali 0 e 1 in binario indicano il passaggio o il blocco di una corrente elettrica.

Un modo alternativo per eseguire la computazione è attraverso dispositivi spintronici, che funzionano sullo spin degli elettroni (una caratteristica quantistica fondamentale) anziché sulla corrente elettrica (il flusso di elettroni).

Fonte: Insight IAS

I dati possono essere codificati sia nel momento angolare di spin, che può essere immaginato come un orientamento “su” o “giù” intrinseco dell’elettrone, sia nel momento angolare orbitale, che descrive come gli elettroni si muovono attorno ai nuclei atomici.

Poiché ciò contiene più informazioni rispetto al semplice 0 e 1, lo spin può contenere più dati per atomo rispetto all’elettronica tradizionale.

La spintronica ha alcuni altri vantaggi rispetto ai sistemi elettronici classici, in particolare:

• Dati più veloci, poiché lo spin può essere modificato molto rapidamente.
• Consumo energetico ridotto, poiché lo spin può essere modificato con meno potenza rispetto a quella necessaria per mantenere un flusso di elettroni per creare una corrente.
• Metalli semplici possono essere usati al posto di materiali semiconduttori complessi.
• Lo spin è meno volatile rispetto allo stato dei semiconduttori, rendendo l’archiviazione dei dati più stabile.

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La spintronica è già utilizzata per gli hard disk e ha permesso alla capacità di archiviazione dei dati di crescere nell’ultimo decennio.

“Lo spin è una proprietà quantistica meccanica degli elettroni, che è come un piccolo magnete trasportato dagli elettroni, puntato su o giù.

Possiamo sfruttare lo spin degli elettroni per trasferire e processare informazioni in cosiddetti dispositivi spintronici.

Talieh Ghiasi – Ricercatore Postdoc presso la Delft University of Technology

Controllare i Magnoni per la Spintronica di Prossima Generazione

Magnoni Spiegati

I ricercatori si sono concentrati sulle correnti di spin, chiamate anche magnoni, che agiscono come un’onda magnetica, spostando gli spin degli elettroni lungo il loro percorso.

Fonte: Hubpage

I magnoni sono la parte chiave dei potenziali dispositivi spintronici. Questo perché, poiché gli elettroni stessi rimangono fermi mentre i magnoni li attraversano, non c’è calore da dissipare, il principale fattore limitante nei chip in silicio.

In questo studio, i ricercatori hanno scoperto che il trasporto dei magnoni può indurre una polarizzazione elettrica misurabile. Hanno utilizzato un materiale strutturato come un nido d’ape composto da nichel-fosforo-selenio (NiPSe3).

Hanno scoperto che la polarizzazione elettrica netta indotta è circa 1.000 volte superiore a quella dei materiali precedentemente usati, come il manganese-fosforo-zolfo (MnPS3).

Oltre le Correnti di Spin

In precedenza, altri team di ricerca hanno scoperto che i magnoni possono essere usati per convertire la perdita di spin in energia, aumentando notevolmente l’efficienza dei sistemi spintronici. Altri progressi nella spintronica chirale e reti di onde di spin scalabili hanno inoltre portato aggiunte promettenti ai potenziali futuri computer basati sulla spintronica.

Questo studio va ancora oltre dimostrando che i magnoni, nonostante la loro neutralità di carica, possono indurre polarizzazione elettrica attraverso i loro momenti di spin e orbitali.

Il meccanismo funziona tramite il “Effetto Nernst”, la creazione di un campo elettrico quando un materiale è sottoposto sia a un gradiente di temperatura sia a un campo magnetico.

Ancora più importante, hanno anche scoperto che la polarizzazione elettrica netta può essere controllata da campi magnetici esterni (un metodo chiamato ibridazione dei magnoni).

Queste scoperte rivelano che i campi elettrici potrebbero essere usati sia per rilevare sia per manipolare i magnoni in determinate condizioni sfruttando il loro spin e momento angolare orbitale.

Verso un Modello Unificato di Computazione Magnetica

Questa scoperta è stata costruita sul lavoro precedente dello stesso team che ha cercato di creare una comprensione unificata di spin, magnoni e orbite degli elettroni.

“Questi risultati integrano i progressi nella magnonica, nella spinorbitonica e nell’orbitonica per creare un quadro unificato che può essere usato per comprendere e controllare la manipolazione degli stati magnetici.”

Questa ultima scoperta può trasformare i magnoni da fenomeni interessanti alla base della spintronica in effetti pienamente controllabili, usando campi magnetici.

Crea anche un quadro teorico che in futuro sarà utile per scoprire o progettare materiali con momenti orbitali di magnon consistenti, rendendo le loro proprietà magnon più facili da manipolare a piacere.

Quindi, sebbene i chip spintronici non siano ancora pronti per essere integrati regolarmente nei data center AI e nei computer, stanno progredendo rapidamente verso una comprensione unificata, sia a livello teorico sia a livello pratico di ingegneria.

A sua volta, ciò potrebbe avere importanti implicazioni su come costruiamo la prossima generazione di computer sia classici sia quantistici.

Nel frattempo, la spintronica è già utilizzata dalle aziende per costruire elettronica di memoria e sensori, e potrebbe essere determinante nella creazione di chip spintronici più avanzati in futuro.

Investire nella Spintronica

1. Everspin Technologies

Everspin è una filiale di Freescale (ora conosciuta come NXP
(NXPI )) dedicata allo sviluppo di sistemi di memoria MRAM. È stata scorporata da Freescale e ha effettuato l’IPO nel 2016.

Everspin è considerata la leader della tecnologia MRAM (Magnetoresistive Random-Access Memory), ereditando l’esperienza di Freescale di essere la prima a commercializzare un chip MRAM nel 2006.

Poiché la MRAM è una memoria che persiste anche in assenza di corrente, è sempre più utilizzata in casi d’uso sensibili dove i dati critici sono troppo importanti per rischiare perdite.

Guidato da applicazioni pervasive come l’analisi dei dati, il cloud computing, sia terrestre che extraterrestre, l’intelligenza artificiale (AI) e l’Edge AI, inclusi l’Industrial IoT, il mercato della memoria persistente dovrebbe crescere a un CAGR del 27,5% tra il 2020 e il 2030

Everspin

Fonte: Everspin

L’azienda stima che il mercato raggiungerà una dimensione di 7,4 miliardi di dollari entro il 2027. L’azienda non ha debiti e ha un flusso di cassa libero positivo dal 2021.

I prodotti MRAM di Everspin attualmente occupano una nicchia piccola ma in crescita, servendo mercati dove l’affidabilità è cruciale, come l’aerospazio, i satelliti, i registratori di dati, i dispositivi di monitoraggio dei pazienti, ecc.

Fonte: Everspin

La crescita dei chipset, dell’AI e dei sistemi sinaptici potrebbe anche rappresentare un impulso a lungo termine per l’azienda.

2. NVE Corporation

Un altro leader della spintronica, NVE lavora su questa tecnologia sin dal suo primo brevetto nella tecnologia MRAM nel 1995. Produce spintronic sensori e isolatori, principalmente usati in sistemi di misura e sensori per auto, ingranaggi, dispositivi medici, alimentatori e altri dispositivi industriali.

Ciò colloca NVE in una categoria leggermente diversa rispetto a Everspin, con NVE più una società industriale con una forte posizione in un mercato di nicchia (magnetometro che utilizza la spintronica), mentre Everspin è più una società di memoria/computazione che lavora e compete con aziende come Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba e Samsung, che stanno anch’esse sviluppando il proprio prodotto MRAM.

Può rendere l’azione più (o meno) attraente a seconda dei profili degli investitori, con l’azione di NVE più propensa ad attrarre investitori più conservatori alla ricerca di un rendimento da dividendo e sicurezza.

Studio di Riferimento

^{1. D.Quang To, Federico Garcia-Gaitan, Yafei Ren, et al. Polarizzazione elettrica indotta da magnon e effetti Nernst dei magnon. PNAS.  23 ottobre 2025. https://doi.org/10.1073/pnas.2507255122}