Computing
Spintronica: Il Futuro del Calcolo a Basso Consumo Energetico
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Come la Spintronica Potrebbe Rivoluzionare il Computing
Progressivamente, il mondo dell’hardware informatico sta iniziando a guardare oltre i chip di silicio, o addirittura oltre le forme classiche di calcolo binario. Questo perché i chip e le memorie tradizionali nei nostri computer e nei data center stanno diventando sempre più difficili da realizzare, con le ultime generazioni che hanno transistor di appena pochi nanometri.
Un altro fattore è che il consumo energetico sta diventando un problema, poiché la domanda di potenza di calcolo, in particolare per i sistemi di IA, continua a crescere.
Esistono molte soluzioni proposte, con il calcolo quantistico e la fotonica che rappresentano le opzioni più importanti per ridurre la domanda di calcolo o renderla più veloce e meno energivora.
Un’altra è la spintronica, che utilizza lo spin degli elettroni, una caratteristica quantistica, invece della corrente elettrica (il flusso di elettroni).
Gli scienziati stanno lavorando per rendere la spintronica così efficiente da poter sostituire una parte significativa delle nostre esigenze di calcolo.
Un recente articolo scientifico di ricercatori del Korea Institute of Science and Technology (KIST), della Seoul National University, della Kunsan National University (Corea), della Yonsei University e della Johannes Gutenberg University Mainz (Germania) ha scoperto che la perdita di spin può essere riconvertita in magnetizzazione, rendendo l’elettronica spintronica ancora più efficiente dal punto di vista energetico.
Hanno pubblicato i loro risultati su Nature Communications1, con il titolo “Magnetization switching driven by magnonic spin dissipation”.
Un’altra recente scoperta di ricercatori della Chinese Academy of Sciences, del National Synchrotron Radiation Laboratory (Cina), della ShanghaiTech University e della Beihang University è stata su come utilizzare le imperfezioni nei materiali spintronici per rendere l’elettronica più veloce, più intelligente e più efficiente.
Hanno pubblicato i loro risultati su Nature Materials2, con il titolo “Unconventional scaling of the orbital Hall effect”.
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 nel sistema binario indicano il passaggio o il blocco di una corrente elettrica.
Un modo alternativo per eseguire il calcolo è tramite 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 nello spin del momento angolare, 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 questo 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, noti per:
- 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 utilizzati 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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| Caratteristica | Elettronica Tradizionale | Spintronica |
|---|---|---|
| Portatore di Informazione | Corrente elettrica (0 o 1) | Spin dell’elettrone (su/giù) |
| Efficienza Energetica | Elevata domanda di potenza | Minore consumo di energia |
| Velocità | Limitata dal flusso di corrente | Commutazione di spin più veloce |
| Materiali | Semiconduttori complessi | Metalli/ossidi semplici |
| Stabilità dei Dati | Memoria volatile | Stabile, non volatile |
La spintronica è già utilizzata per i dischi rigidi e ha permesso alla capacità di archiviazione dei dati di crescere nell’ultimo decennio.
“Lo spin è una proprietà quantistica degli elettroni, simile a un piccolo magnete trasportato dagli elettroni, che punta verso l’alto o verso il basso.
Possiamo sfruttare lo spin degli elettroni per trasferire e elaborare informazioni in cosiddetti dispositivi spintronici.
Talieh Ghiasi – Ricercatore postdoc presso Delft University of Technology
Superare le Sfide Materiali nella Spintronica
Nonostante questi vantaggi, la spintronica non ha ancora ottenuto una diffusione commerciale. Questo è in parte dovuto al ruolo dei difetti materiali. L’introduzione di imperfezioni in un materiale può talvolta rendere più facile “scrivere” dati nei bit di memoria riducendo la corrente necessaria.
Tuttavia, questi difetti aumentano anche la resistenza elettrica e riducono la conduttività spin Hall, rendendo l’uso dello spin per codificare i dati significativamente più difficile.
Una possibile soluzione è utilizzare lo stronzio rutenato (SrRuO3), un ossido di metallo di transizione le cui proprietà possono essere finemente regolate.
Una progettazione accurata dei difetti nel materiale, mediante dispositivi su misura e tecniche di misurazione di precisione, modifica il modo in cui gli spin reagiscono a essi.
“I processi di scattering che tipicamente degradano le prestazioni in realtà estendono la vita del momento angolare orbitale, migliorando così la corrente orbitale.”
Questo è radicalmente diverso dai sistemi convenzionali basati sullo spin. In questi esperimenti, una modulazione della conduttività su misura ha prodotto un miglioramento di 3 volte nell’efficienza energetica del commutazione.
“Questo lavoro riscrive sostanzialmente le regole per la progettazione di questi dispositivi. Invece di combattere le imperfezioni dei materiali, ora possiamo sfruttarle.”
Computing a Basso Consumo Energetico con la Spintronica
Magnetismo e Spin
Poiché lo spin è una caratteristica delle particelle elettroniche, non è sorprendente che i ricercatori stiano scoprendo nuove connessioni tra lo spin e la magnetizzazione dei materiali elettronici.
I ricercatori coreani stavano studiando questa connessione. Tradizionalmente, commutare la magnetizzazione di un componente elettronico tra 1 e 0 richiede grandi correnti per invertire la direzione della magnetizzazione. Questo processo genera perdita di spin, considerata una delle principali fonti di spreco energetico e di scarsa efficienza.
Invece di cercare di mitigare questa perdita e ridurre la dissipazione dello spin, hanno deciso di utilizzarla combinando un unico metallo ferromagnetico con un isolante antiferromagnetico.
Fonte: Nature Materials
Fonte: Nature Materials
Correnti di Spin
I ricercatori si sono concentrati sulle correnti di spin, chiamate anche magnoni.
Fonte: Hubpage
Hanno scoperto che l’efficienza di conversione spin‑magnon era massima quando l’asse facile magneto‑cristallino (n) era più vicino alla polarizzazione dello spin (μ).
In pratica, ciò significa che la perdita di spin è stata utilizzata per fornire l’energia necessaria a indurre un cambiamento nello stato magnetico del materiale.
Fonte: Nature Materials
Scalabile con le Tecniche Attuali
Questo metodo adotta una struttura di dispositivo semplice, compatibile con i processi di fabbricazione dei semiconduttori esistenti.
“Fino ad ora, il campo della spintronica si è concentrato solo sulla riduzione delle perdite di spin, ma noi abbiamo presentato una nuova direzione utilizzando le perdite come energia per indurre la commutazione della magnetizzazione,”
Rende altamente fattibile la produzione di massa, ed è anche vantaggioso per la miniaturizzazione e l’alta integrazione, fattori che possono rallentare drasticamente l’adozione di nuovi design più radicali nell’elettronica.
Pertanto, questa scoperta potrebbe trovare rapide applicazioni nella memoria e nel calcolo dei semiconduttori AI, nella memoria ultra‑bassa potenza, nel calcolo neuromorfico e nei dispositivi di calcolo basati su probabilità.
Poiché questi settori sono già in forte crescita, ciò potrebbe offrire a questa tecnologia una grande finestra di opportunità.
“Abbiamo in programma di sviluppare attivamente dispositivi semiconduttori AI ultra‑piccoli e a basso consumo, poiché possono costituire la base per tecnologie di calcolo ultra‑basso consumo, essenziali nell’era dell’IA.”
Conclusione
Finora la spintronica era limitata alla tecnologia dei dischi rigidi, ma sta cambiando rapidamente grazie a una migliore comprensione di come manipolare e utilizzare lo spin degli elettroni.
Ciò dovrebbe creare un nuovo tipo di elettronica, non tanto più potente, come avviene con i chip nuovi e più piccoli, ma più efficiente dal punto di vista energetico e ancora più facile da produrre, entrambi aspetti importanti poiché il consumo energetico sta diventando sempre più un collo di bottiglia nella diffusione dei data center AI e del edge computing (come per le auto a guida autonoma o la robotica).
Aziende di Spintronica
1. Everspin Technologies
MRAM Grafico dei prezzi
Everspin è una filiale di Freescale (ora conosciuta come NXP, ticker di borsa NXPI) dedicata allo sviluppo di sistemi di memoria MRAM. È stata scorporata e ha effettuato l’IPO nel 2016.
Everspin è considerata la leader nella 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 in cui i dati critici sono troppo importanti per rischiare una perdita.
Guidata 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
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 in cui 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’IA e dei sistemi sinaptici potrebbe anche rappresentare un impulso a lungo termine per l’azienda.
2. NVE Corporation
NVEC Grafico dei prezzi
Un altro leader della spintronica, NVE lavora su questa tecnologia fin dal suo primo brevetto sulla tecnologia MRAM nel 1995. Produce sensori spintronici e isolatori, principalmente utilizzati nei sistemi di misura e sensori per auto, ingranaggi, dispositivi medici, alimentatori e altri dispositivi industriali.
Fonte: NVE
Ciò colloca NVE in una categoria leggermente diversa rispetto a Everspin, con NVE più orientata a un’azienda industriale con una forte posizione in un mercato di nicchia (magnetometri basati sulla spintronica), mentre Everspin è più una società di memoria/calcolo 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 del profilo degli investitori, con l’azione NVE più probabile che attragga investitori più conservatori alla ricerca di un rendimento da dividendo e di sicurezza.
Studi Citati
1. Peng, S., Zheng, X., Li, S. et al. Unconventional scaling of the orbital Hall effect. Nature Materials. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02326-3
2. Choi, WY., Ha, JH., Jung, MS. et al. Magnetization switching driven by magnonic spin dissipation. Nature Communications 16, 5859 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61073-w
