スピントロニクス：エネルギー効率の高いコンピューティングの未来

スピントロニクスがコンピューティングを革命的に変える可能性

Progressively, the world of hardware computing is starting to look beyond silicon chips, or even classical forms of binary computing altogether. This is because the usual chips and memory in our computers and data centers are getting increasingly difficult to build, with the latest generation having transistors barely a few nanometers in size.

近年、ハードウェアコンピューティングの世界はシリコンチップや従来の二進法コンピューティングの枠を超え始めています。これは、コンピュータやデータセンターで使用される従来のチップやメモリの製造がますます困難になっており、最新世代のトランジスタはわずか数ナノメートルのサイズにまで小さくなっているためです。

もう一つの要因は、特にAIシステム向けの計算能力需要が増大する中で、エネルギー消費が問題となりつつあることです。

提案されている解決策は多数あり、量子コンピューティングやフォトニクスが、計算需要を削減するか、またはより高速でエネルギー効率の高いものにする最も有力な選択肢です。

もう一つはスピントロニクスで、電流（電子の流れ）ではなく、電子のスピンという量子特性を利用します。

科学者たちは、スピントロニクスを非常に効率的にすることで、我々の計算ニーズの大部分を代替できるよう研究しています。

韓国科学技術院（KIST）、ソウル大学、軍産大学（韓国）、延世大学、そしてドイツのヨハネス・グーテンベルク大学マインツの研究者らによる最近の論文では、スピンロスを磁化に変換できることが判明し、スピントロニクス電子機器のエネルギー効率がさらに向上すると報告されています。

彼らはその結果をNature Communications¹にマグノン駆動スピン散逸による磁化スイッチングというタイトルで掲載しました。

中国科学院、国家シンクロトロン放射光研究所（中国）、上海科技大学、北京航空航天大学の研究者によるもう一つの最近の発見は、スピントロニック材料の不完全性を利用して、電子機器をより高速、より賢く、より効率的にする方法でした。

彼らはその結果をNature Materials²に軌道ホール効果の非従来型スケーリングというタイトルで掲載しました。

スピントロニクスの利点と潜在的応用

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.

トランジスタなどの電子部品は従来、シリコンから作られ、半導体に依存しています。二進法の0と1は、電流の通過または遮断を示します。

計算を行う代替手段として、電流（電子の流れ）ではなく、電子のスピン（基本的な量子特性）を利用するスピントロニクスデバイスがあります。

出典: Insight IAS

データは、電子の内部に「上」または「下」の向きとして想像できるスピン角運動量と、電子が原子核の周りをどのように移動するかを示す軌道角運動量の両方にエンコードできます。

これは0と1だけよりも多くの情報を含むため、スピンは従来の電子機器よりも原子あたりのデータ量が多くなります。

スピントロニクスにはいくつかの他の従来の電子システムに対する利点, notably:

• データが高速化、スピンははるかに速く変えることができる。
• エネルギー消費が少ない、スピンは電流を作るために電子の流れを維持するよりも少ない電力で変化できるため。
• 複雑な半導体材料の代わりに、単純な金属を使用できる。
• スピンは半導体の状態より揮発性が低く、データ保存がより安定する。

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スピントロニクスはすでにハードドライブに使用されており、過去10年間でデータ保存容量の拡大を可能にしました。

「スピンは電子の量子力学的性質で、電子が持つ小さな磁石のようなもので、上向きまたは下向きです。

私たちは電子のスピンを活用して、いわゆるスピントロニクスデバイスで情報を転送・処理できます。」

Talieh Ghiasi – デルフト工科大学のポストドクター研究員

スピントロニクスにおける材料課題の克服

Despite these advantages, spintronics are yet to gain commercial traction. This is in part due to the role of material defects. Introducing imperfections into a material can sometimes make it easier to “write” data into memory bits by reducing the current needed.

これらの利点にもかかわらず、スピントロニクスはまだ商業的な普及に至っていません。その一因は材料欠陥の影響です。材料に不完全性を導入すると、必要な電流を減らすことでメモリビットへの「書き込み」が容易になることがあります。

しかしながら、これらの欠陥は電気抵抗を増加させ、スピンホール伝導性を低下させるため、スピンでデータをエンコードすることが大幅に困難になります。

解決策として、特性を細かく調整できる遷移金属酸化物であるストロンチウムルテネート（SrRuO3）を使用することが考えられます。

カスタム設計されたデバイスと高精度測定技術を用いた材料中の欠陥の慎重なエンジニアリングは、スピンの反応様式を変化させます。

「通常は性能を低下させる散乱プロセスが、実際には軌道角運動量の寿命を延長し、結果として軌道電流を強化します。」

Dr. Xuan Zheng – 中国科学院
これは従来のスピンベースシステムとは根本的に異なります。これらの実験では、調整された導電率の変調により、スイッチングエネルギー効率が3倍向上しました。

「この研究は本質的にこれらデバイス設計のルールブックを書き換えるものです。材料の不完全性と闘うのではなく、今やそれらを活用できるようになりました。」

Prof. Zhiming Wang – 中国科学院

スピントロニクスによるエネルギー効率の高いコンピューティング

磁性とスピン

With spin a characteristic of the electron particles, it is maybe not surprising that researchers are finding new connections between spin and the magnetization of electronic materials.

韓国の研究者はこの関係を研究していました。従来、電子部品の磁化を1と0の間で切り替えるには、磁化の方向を逆転させるために大電流が必要でした。このプロセスはスピンロスを生み、電力の無駄と低効率の主要な原因と考えられてきました。

このロスを軽減しスピン散逸を減らすのではなく、単一の強磁性金属と反強磁性絶縁体を組み合わせて利用しようとしています。

出典: Nature Materials

出典: Nature Materials

スピン電流

The researchers focused on spin currents, also called magnons.

出典: Hubpage

彼らは、磁結晶的イージー軸（n）がスピン偏極（μ）に最も近いとき、スピンからマグノンへの変換効率が最高になることを発見しました。

実際には、スピンのロスが材料の磁的状態変化を引き起こすために必要なエネルギーとして利用されたことを意味します。

出典: Nature Materials

現在の技術を用いたスケーラビリティ

This method adopts a simple device structure that is compatible with existing semiconductor manufacturing processes.

「これまでスピントロニクスの分野はスピンロスの削減にのみ焦点を当ててきましたが、我々はロスをエネルギーとして利用し磁化スイッチングを誘導する新たな方向性を提示しました。」

Dr. Dong-Soo Han – Senior researcher at KIST.
It makes it highly feasible for mass production, and it is also advantageous for miniaturization and high integration, something that can drastically slow down the adoption of more radical new designs in electronics.

これにより大量生産が極めて実現可能となり、ミニチュア化や高集積にも有利です。これは、電子分野でより急進的な新設計の採用を大幅に遅らせる要因となり得ます。

したがって、この発見はAI半導体のメモリとコンピューティング、超低消費電力メモリ、ニューロモルフィックコンピューティング、確率ベースのコンピューティングデバイスへの迅速な応用が期待されます。

これらの分野はすでに急成長しているため、本技術にとって大きなチャンスの窓が開くでしょう。

「我々は、AI時代に不可欠な超低消費電力コンピューティング技術の基盤となる、超小型・低消費電力のAI半導体デバイスを積極的に開発する計画です。」

Dr. Dong-Soo Han – Senior researcher at KIST.

結論

スピントロニクスはこれまでハードドライブ技術に限定されていましたが、電子のスピンを操作・利用する方法の理解が進んだことで急速に変化しています。

これにより、新しいタイプの電子機器が誕生するでしょう。新しく小型化されたチップと同様に性能が大幅に向上するわけではありませんが、エネルギー効率が高く、製造も容易になる点が重要です。エネルギー消費がAIデータセンターやエッジコンピューティング（自動運転車やロボティクスなど）の展開においてますますボトルネックになる中、これらは重要なポイントです。

スピントロニクス企業

1. Everspin Technologies

EverspinはFreescale（現在はNXP、株式コードNXPI）の部門で、MRAMメモリシステムの開発に専念しています。2016年にスピンアウトされ、IPOを実施しました。

EverspinはMRAM技術（磁気抵抗性ランダムアクセスメモリ）のリーダーと見なされており、2006年に世界初のMRAMチップを商業化したFreescaleの経験を継承しています。

MRAMは電流がなくても保持されるメモリであるため、重要なデータの損失リスクが許容できないセンシティブな用途での利用が増えています。

「データ分析、クラウドコンピューティング（地上・宇宙問わず）、人工知能（AI）やエッジAI、産業用IoTなどの広範なアプリケーションに支えられ、永続メモリ市場は2020年から2030年までに年平均成長率27.5％で拡大すると予測されています。」Everspin

出典: Everspin

同社は2027年までに市場規模が74億ドルに達すると見込んでおり、2021年以降、負債がなくフリーキャッシュフローがプラスです。

EverspinのMRAM製品は現在、小規模ながら成長中のニッチ市場を占めており、航空宇宙、衛星、データレコーダー、患者モニタリングデバイスなど、信頼性が重要な市場に供給されています。

出典: Everspin

チップセット、AI、シナプスシステムの成長は、同社にとって長期的な追い風となる可能性があります。

2. NVE Corporation

スピントロニクスのもう一つのリーダーであるNVEは、1995年にMRAM技術で最初の特許を取得して以来、この技術に取り組んできました。主に自動車、ギア、医療機器、電源装置、その他産業機器の測定・センサーシステムで使用されるスピントロニックセンサーとアイソレータを製造しています。

出典: NVE

これにより、NVEはEverspinとはやや異なるカテゴリに位置付けられます。NVEはスピントロニクスを用いた磁力計を中心としたニッチ市場で強い立場を持つ産業系企業であり、EverspinはIntel (INTC ) 、Qualcomm (QCOM ) 、Toshiba、Samsungなどと競合しながら自社のMRAM製品を開発しているメモリ・コンピューティング企業です。

投資家のプロファイルに応じて、NVEの株は配当利回りと安全性を求める保守的な投資家にとってより魅力的になる可能性があります（逆に魅力が減る場合もあります）。

研究文献

<sup>1. Peng, S., Zheng, X., Li, S. et al. 軌道ホール効果の非従来型スケーリング. Nature Materials. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02326-3
2. Choi, WY., Ha, JH., Jung, MS. et al. マグノン駆動スピン散逸による磁化スイッチング. Nature Communications 16, 5859 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61073-w</sup>