Ni₄W メモリーブレークスルー：磁石不要のスイッチングを実現

最新の技術的進歩は、ビッグデータから人工知能（AI）やモノのインターネット（IoT）に至るまで、膨大なデータを収集・処理します。そのためには、高い電力効率、低遅延のデータ転送、そして高速処理が必要です。

ここで、高性能コンピューティング（HPC）の進展は、データ処理能力を向上させる上で重要であり、並列処理、強力なハードウェア、洗練されたソフトウェアを活用しています。

しかし、メモリアクセスはボトルネックになりがちであり、これらの要求に適合したメモリ技術への強いニーズが生まれています。

メモリ技術は、データへのアクセス、保存、変更を可能にします。ここでの情報はビットの集合で表され、各ビットは0または1（あるいは真または偽）です。

理想的には、メモリの読み書きはほぼ瞬時で、消費電力が少なく、占有面積も極めて小さく、保存された値を無期限に保持します。しかし、実際にはこのような理想条件をすべて満たすメモリ技術は存在しません。各技術はそれぞれ長所と短所を持ち、最適なメモリ技術は一つに決まっていません。

メモリ技術は主に2つのカテゴリに分かれます：

• 揮発性
• 非揮発性

これはセル設計に基づいています。セルはメモリの基本単位で、実際にはメモリセルの「配列」です。各セルは1ビットのデータを保持し、単一セルの特性は全体の配列の特性を反映します。

揮発性メモリは、電源が供給されている間は動作し、電源が切れると保存された情報が失われます。したがって、このタイプのメモリはデータを一時的に保存するために使用できます。

対照的に、非揮発性メモリは電源が切れても保存された値を保持します。このタイプのメモリには、製造がより難しく、電子的に書き込むのが困難であるため、先進的な半導体技術が適用されています。

市場で利用可能な高度なメモリ技術が増えるにつれて、これら2つのメモリカテゴリの区別はますます曖昧になっています。

メモリ技術のブレークスルー

メモリ技術はさまざまな電子機器やシステムの動作と性能にとって重要であり、情報の保存と取得を可能にします。その重要性から、研究者は効率を高める新たな方法を継続的に探求しています。

長年にわたり、いくつかのブレークスルーが技術を革命的に変えてきました。現在のRAMやストレージソリューションの制限を克服することを目指し、継続的な研究はより高速でエネルギー効率の高いコンピューティングを推進し、AIやニューロモルフィックコンピューティングなどの新しい応用を可能にしています。

PCM と低電力イノベーション

この分野の主な進展の一つは、RAMの速度とフラッシュストレージの非揮発性を組み合わせた単一のメモリタイプを実現する新しいPCM（相変化メモリ）材料です。

PCM領域では、昨年末に科学者たちがPCMのエネルギー要件を最大10億倍削減する新技術を発見しました。発見した¹

「相変化メモリデバイスが広く普及していない理由の一つは、必要とされるエネルギーです」と、ペン工学の材料科学・工学教授であるリテッシュ・アガルワル氏は述べており、この新技術の発見が低電力メモリデバイス設計にとって「非常に大きな」可能性を持つことを意味しています。

この発見は、インジウムセレナイド（In2Se3）という、圧電性（電荷を受けると物理的に変形する材料）と強誘電性（外部電荷を必要とせずに内部電場を生成できる材料）の両方の特性を示す半導体材料の独自の性質に依存しています。

インジウムセレナイドが連続電流にさらされると、研究者はその一部がアモルファス化し、結晶構造が乱れ、これらすべての特性が組み合わさったときに材料で起こり得る構造変化の新たな領域が開かれることを観測しました。

マルチフェロイックと効率的なデータ保存

強誘電性と強磁性の両方を示し、破壊的でないデータ保存が可能なマルチフェロイック材料も、研究者によって探求されています。

その一例がコバルト置換ビスマルチフェロイック酸化物（BiFe0.9Co0.1O3、BFCO）で、強い磁電結合を示し、エネルギー効率の高いデータ書き込みが可能です。昨年、東京工業大学の研究者は単一の強誘電ドメインと強磁性ドメインを持つBFCOナノドットを開発しました。開発した²

今年、研究者は研究を発展させ、配向薄膜で実際のスイッチング機能を実証しました。この動的制御は、デバイスに適した形で電場駆動の磁化スイッチングを実際に示しています。

強誘電ソリューションと新しいメモリ設計

チップレット技術は、複数の小型チップ（チップレット）を基板上に取り付けて接続し、メモリ帯域幅と密度を向上させる別のアプローチです。一方、NANDフラッシュとDRAM技術の進歩は、より小さなプロセスノードへと進み、帯域幅と電力効率の向上に焦点を当てています。

NANDフラッシュメモリは、セルを3次元構造で積層し同一面積でより多くのデータを保存できるため、大量データ保存の最も普及した技術の一つですが、データ保存に電荷トラップを使用するため、動作電圧が高く速度が遅くなります。

有望な解決策はハフニア（酸化ハフニウム）ベースの強誘電メモリですが、課題はデータ保存用のメモリ容量が限られていることです。

POSTECHのチームは、強誘電材料にアルミニウムをドーピングすることでこの課題に対処し、高性能な強誘電薄膜を作製しました。さらに、従来のMFS構造ではなく、革新的な金属‑強誘電体‑金属‑強誘電体‑半導体（MFMFS）構造を採用しました。addressed this issue⁴

これにより、層の厚さや面積比などを微調整して各層の電圧を制御できるようになり、結果として従来デバイスの2Vに対し10Vを超えるメモリウィンドウを実現しました。

スピン軌道トルクと磁気メモリの進化

量子コンピューティングさえも、将来のより強力で効率的、かつ多用途なコンピューティングデバイスへの道を切り開く新興技術として大きな注目を集めています。

さらに、電流を用いて磁状態を切り替え、高速かつ低消費電力を実現するエネルギー効率の高いスピン軌道トルク磁気ランダムアクセスメモリ（SOT‑MRAM）があります。

今年初め、JGU物理研究所の研究者チームはSOT‑MRAMに基づく革新を発表し、エネルギー消費を50%以上削減し、効率を30%向上させる可能性を示しました。また、データ保存のための磁気スイッチングに必要な入力電流を20%削減し、データ保存の長寿命を保証する熱安定性も実現しました。

フォトニックと磁気光学メモリ

光と磁石で光学メモリチップを制御することは、処理速度と効率を向上させる別の方法です。

ある開発では、科学者たちがシリコンフォトニックプラットフォーム上にプログラム可能なフォトニックラッチを設計しました。システム内の各メモリユニットは独自の光源で駆動され、複数ユニットが独立して機能できます。これにより、光パワー損失による信号劣化を防ぎ、より大規模システムへのスケーラビリティが向上します。

“ChatGPT のような大規模言語モデルは、乗算や加算といった単純な数学演算を大量に、反復的に実行して学習し、回答を生成しています。”

完全な光コンピュータはまだ数年先の話ですが、この光メモリはその方向への重要な一歩です。

一方、別のチームはセリウム置換イットリウム鉄ガーネット（Ce:YIG）を用いた新しい磁気光学メモリ技術を示しました。この材料は磁場にさらされると光学特性を調整可能にします。微小磁石を埋め込むことで、光の伝搬変化を通じてデータの保存と操作が可能となります。

このようにして、先進的なフォトニック統合技術の100倍のスイッチング速度を持ち、消費電力は約10分の1の新しい磁気光学メモリのクラスを導入しました。磁気光学メモリは20億回以上の書き換えも可能です。

Ni₄W：磁場不要の磁化が実現

ミネソタ大学ツインシティーズ校の研究者は、メモリ技術における新たな成果を報告しました。

Advanced Materials 研究は開発の詳細を述べており⁸、ニッケルとタングステンの合金である Ni₄W の使用が含まれています。この金属は磁石を必要とせずに磁性を反転させ、次世代エレクトロニクスに電力を供給する可能性を示しています。

チームはデバイス内の磁化を制御するスピン電流を生成する方法を示し、より安価で高速、かつ効率的なコンピュータメモリとロジックデバイスへの道を開きました。

磁石なしで金属の磁性を切り替える

新興メモリ技術への需要が高まる中、研究者は既存のメモリソリューションに代わるさまざまな代替案を積極的に探求しており、日常技術の機能性を向上させつつエネルギー消費を削減しようとしています。

そこで、ミネソタ大学の研究者はコンピュータメモリをより高速かつエネルギー効率的にする新素材に目を向けました。

この材料はニッケル‑タングステン合金で、高密度、強度、耐摩耗・耐腐食性で知られる材料群です。これらの合金では、金属の具体的な組成が特性に影響します。

本研究では、研究者は強力な磁気制御特性を示す Ni₄W を使用しました。

Ni₄W を選択するため、チームはまず I4/m 空間群内で安定相を持つ候補材料をデータベースで検索し、次に密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、理論的に大きな SOT 効率を示し、Ni‑W 二元金属間化合物系の基底状態であることから最も有望な候補であることを特定しました。

チームは Ni₄W (100) と Ni₄W (211) の両方で非従来型スピンホール伝導度（USHC）の存在を確認しましたが、後者の方が SOT 効率が高く、前者を上回っていたため、実験は後者に集中しました。

「理論計算により、Ni₄W (211) が USHC に最適な結晶配向であることが確認されました」と研究は述べ、その六角形に近い格子構造が実験的に成長しやすいことを付け加えました。

この材料はコンピュータメモリを高速化すると同時に、電子機器のエネルギー使用を大幅に削減できます。研究者はこの技術に関して特許を取得しています。

「Ni₄W はデータ書き込み時の電力使用を削減し、電子機器のエネルギー使用を大幅に削減できる可能性があります」と、ミネソタ大学電気・コンピュータ工学部（ECE）の著名なマックナイト教授でロバート・F・ハートマン主席のジャオ・ピン・ワン氏は述べました。

従来の材料とは異なり、低対称性の Ni₄W は「磁場不要」のスイッチングを可能にします。つまり、この材料は磁石を必要とせずに磁状態を切り替えることができます。複数方向のスピン電流を生成することで、外部磁場を必要とせずに Ni₄W が磁状態を「磁場不要」で反転させることが可能です。

彼らの研究では、ニッケルとタングステンの組み合わせを用いた小型電子デバイスにおける磁化制御のより効果的なアプローチを示しながら、材料に関する新たな洞察を提供しています。

研究によれば、Ni₄W は強力なスピン軌道トルク（SOT）を生成し、次世代メモリ技術における磁性操作の手段となります。

SOT は新興技術で、電子のスピンと電荷を利用して情報を保存・操作するスピントロニクスデバイスを効率的に制御できます。

このメカニズムはスピン軌道結合（SOC）の効果、例えば異常ホール効果（AHE）、スピンホール効果（SHE）、ラッシュバ効果などから生じ、効率と速度の面で優れた性能を示します。

SOT はフェロ磁性材料（外部磁場がなくても永久磁化と永久磁気モーメントを示す） の磁化をメモリデバイスで効率的に操作する手段を提供しますが、重金属やトポロジカル絶縁体などの従来の SOT 材料は高い結晶対称性により制限されています。

その結果、研究者は低対称性材料を使用するか、外部磁場で高対称性を破って非従来型スピン電流を生成し、垂直磁化の磁場不要決定的スイッチングを可能にしています。

進展があるものの、これらの材料の SOT 効率は依然として低く、実用化が制限されています。しかし、新素材は室温で 0.3 という大きな SOT 効率を示しており、状況は異なります。

「Ni₄W 単体およびタングステンと層状にした場合の多方向において高い SOT 効率を観測し、低電力・高速スピントロニクスデバイスへの利用に大きな可能性があることが示されました。」

– 論文の共同第一著者である王グループの5年目博士課程学生、ヤン・イーフェイ

W/Ni₄W（5 nm）でも 0.73 の大きな SOT 効率が観測されましたが、これは外因性効果による可能性があります。

注目すべきは、この新素材が一般的な金属から作られ、標準的な産業プロセスで製造できることです。この製造の容易さは低コストプロセスを実現し、結果として Ni₄W は産業パートナーにとって魅力的です。

これにより、技術はスマートフォンやスマートウォッチなどの日常製品に容易に、そして近い将来に実装できることを意味します。

「計算が材料の選択と SOT の実験的観測を裏付けたことに非常に興奮しています。」

– 論文の共同第一著者である ECE のポスドク研究員、イ・スンジュン

したがって、本研究は Ni₄W がエネルギー効率の高いスピントロニクスデバイスに有望な非従来型 SOT 材料であることを示しました。製造コストが低いため、スマートフォンやデータセンターなどのデバイスで広く応用でき、エレクトロニクスの未来をよりスマートで持続可能なものにします。

次のステップとして、チームはこれらの材料を以前の研究よりも小型のデバイスに成長させる予定です。

メモリ技術への投資

Micron Technology (MU ), は、DRAM、NAND、ハイバンド幅メモリソリューションのリーディングカンパニーで、AI ワークロード向けの HBM など次世代メモリに大規模に投資しています。 将来的には、同社がスピントロニクスや SOT ベースのメモリなどの新しいソリューションを商業化可能になった際に統合することが期待されます。

Micron Technology (MU )

時価総額は 1,267 億ドルで、MU 株は現在 112.78 ドルで取引されており、今年はすでに 34.54% 上昇しています。EPS（TTM）は 5.52、P/E（TTM）は 20.53 です。株主が得られる配当利回りは 0.41% です。

同社の財務状況について、2025 会計年度第3四半期（2025年5月29日終了）の売上高は 93 億ドルで、前四半期比 15.5%、前年同期比 36.5% 増加しました。

期間の GAAP 純利益は 18.9 億ドル（希薄化株式1株あたり 1.68 ドル）で、非 GAAP 純利益は 21.8 億ドル（希薄化株式1株あたり 1.91 ドル）でした。営業キャッシュフローも 46.1 億ドルに増加しました。

ミクロノは四半期末に現金、売却可能投資、制限付き現金合わせて 122.2 億ドルを保有していました。

CEO のサンジェイ・メフロトラは、過去最高の DRAM 収益が牽引し、HBM 収益はほぼ 50% の連続成長を示したことが記録的な売上高の要因だと述べました。データセンターからの収益も四半期で記録的で、消費者向け市場は強い連続成長を示しました。

「2025 会計年度に記録的な収益と堅実な収益性、フリーキャッシュフローを達成する見通しです。また、AI 主導のメモリ需要の増大に応えるため、技術リーダーシップと製造の卓越性を強化するために慎重な投資を行っています。」

– CEO サンジェイ・メフロトラ

これらすべての中で、同社は HBM3E 36GB 12 高さの製品が AMD の次世代 GPU（Instinct™ MI350 シリーズ）に統合されることを発表しました。これは大規模 AI モデルのトレーニングやデータ処理・計算モデリングなどの複雑な HPC ワークロードにとって重要です。

ミクロノはまた、国内メモリ製造と研究開発を含む 2,000 億ドル規模の米国拡大計画を発表し、9 万人の直接・間接雇用を創出すると見込んでいます。同時に、CHIPS 法に基づく 2.75 億ドルの直接資金提供を最終決定しました。

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メモリ技術の未来に関する最終的考察

メモリ技術は進化し続け、現代コンピューティングの基盤を再構築しています。相変化イノベーションからスピントロニクスのブレークスルーまで、これらすべての進歩は AI、ビッグデータ、次世代コンシューマエレクトロニクス向けに、より高速でエネルギー効率が高く、スケーラブルなソリューションを約束します。

磁場不要の磁化スイッチングを備えた Ni₄W 合金の最新の発見は、コスト効率と高性能メモリソリューションのギャップを埋め、今後数年で主流エレクトロニクスにスピン軌道トルクメモリが広く採用される道を開く、画期的な技術となり得ます。

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