광여자를 통한 전자 제어 – 마그네타이트가 차세대 장치를 이끌어 갈까?

스핀트로닉스의 잠재력

Electronic components like transistors are traditionally built out of silicon and rely on semiconductors. The 0 and 1 signals in binary indicate the passing or blocking of an electric current. An alternative way to perform computation is spintronics devices that run on the spin of electrons (a fundamental quantum characteristic) rather than electric current (flow of electrons).

스핀트로닉스는 고전 전자 시스템에 비해 몇 가지 장점이 있습니다, notably:

• 스핀을 훨씬 빠르게 변경할 수 있어 데이터가 더 빠릅니다.
• 전류를 만들기 위해 전자 흐름을 유지하는 데 필요한 전력보다 적은 전력으로 스핀을 변경할 수 있어 에너지 소비가 적습니다.
• 복잡한 반도체 재료 대신 단순한 금속을 사용할 수 있습니다.

Spintronics is notably used for hard drives and has allowed storage capacity to grow over the last decade.

스핀트로닉스에 이미 사용되고 있는 물질은 마그네타이트로, 산소와 서로 다른 산화 상태의 두 형태의 철로 이루어진 천연 광물입니다.

출처: Britannica

마그네타이트가 수십 년 동안 그 자기적 특성으로 알려져 왔음에도 불구하고, 아직도 배울 것이 더 있는 것으로 보입니다.

Researchers from the EPFL in Switzerland have discovered that lasers can create new phase changes in magnetite that were previously unknown. This could, in turn, lead to a new generation of electronic equipment.

마그네타이트의 숨겨진 특성

The researchers focused on magnetite due to its metal-to-insulator properties, allowing it to switch from a conductor of electricity to blocking it. This is also known as a phase transition, where the properties of a material suddenly change from one stage to another, a little like how liquid water can turn into ice, with very different properties.

By using two different types of lasers, one emitting light at 800nm and one at 400nm (infrared and visible light), they discovered that new phases appeared in magnetite that had not been identified until now.

This is not a trivial matter, as the researchers had to detect change happening in an infinitesimally small period of time. To do so, they used a technique called 초고속 전자 회절 (UED), which allowed them to look at atom movements lasting less than a picosecond or a trillionth of a second.

공간 구조 변화

Normally, magnetite’s atomic structure is “a monoclinic lattice,” where the unit cell is shaped like a skewed box with three unequal edges. Two of its angles are 90 degrees, while the third is different.

출처: ACS

The 800nm light causes the magnetite atomic structure to compress, turning it into a cubic structure. The ultra-rapid observation showed the researchers that it happened through a 3-stage process.

The 400nm instead caused the metal atomic structure to expand, creating a very stable configuration, making it a very stable insulator.

This configuration is different from the previously known stable equilibrium of magnetite and provides deep insight into what is actually happening during the metal-to-insulator transition.

새로운 전자 시스템

This discovery means that it is possible to change the effect on spin and current of magnetite just with light from lasers.

Thanks to very quick laser systems, it could allow for photon pulse to quickly change in a controlled fashion the nature of the metallic material.

“우리 연구는 맞춤형 광 펄스를 사용해 초고속 시간 척도에서 물질을 제어하는 새로운 접근법의 길을 열었습니다.

마그네타이트에서 숨겨진 상을 유도하고 제어할 수 있게 되면 첨단 재료 및 장치 개발에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

예를 들어, 서로 다른 전자 상태 사이를 빠르고 효율적으로 전환할 수 있는 재료는 차세대 컴퓨팅 및 메모리 장치에 활용될 수 있습니다.”

향상된 메모리

Spintronics and magnetite are new frontiers for electronic system manufacturers. What started in a hard drive is now expanding to other memory systems.

예를 들어, 랜덤 액세스 메모리(DRAM)는 마그네틱 RAM(MRAM)으로 대체될 수 있습니다. 이 개념의 첫 번째 버전은 이미 상용화된 제품으로 Everspin이 제공했으며, 전통적인 메모리 시스템에 비해 온도 변화와 우주 방사선에 대한 저항성 덕분에 에어버스 항공기에 사용되고 있습니다.

Another advantage of MRAM is its smaller size and lower power consumption, which means up to 80% less power demand. This can allow MRAM to be incorporated as cache memory in processors at a greater total capacity while consuming less power and generating less heat, with both space and heat becoming key limiting factors in processor improvement.

포토닉스?

The use of laser in changing magnetite conditions is reminiscent of the growing field of photonics, one of the options we discussed in our article about companies moving computation beyond semiconductor systems.

A system already using laser and light to perform computation could greatly benefit from a memory system that relies on magnetite’s phase change induced by light. This could potentially allow the computation result to be directly converted into data with little intermediary step-consuming power and slowing things down.

스핀트로닉스 기업

1. Everspin Technologies

Everspin은 MRAM 메모리 시스템 개발에 전념하는 Freescale(현재 NXP, 주식 티커 NXPI)의 계열사입니다. 2016년에 분사되어 IPO를 진행했습니다.

Everspin은 MRAM 기술의 선두주자로 평가받으며, Freescale이 2006년에 세계 최초의 MRAM 칩을 상용화한 경험을 이어받았습니다.

Because MRAM is a memory that persists even in the absence of a current, it is increasingly used in sensitive use cases where critical data are important.

데이터 분석, 클라우드 컴퓨팅, 지구 및 우주 전반에 걸친 인공지능(AI) 및 산업용 IoT를 포함한 엣지 AI와 같은 광범위한 응용 분야에 의해, 영구 메모리 시장은 2020년부터 2030년까지 연평균 27.5% 성장할 것으로 예상됩니다.

Everspin

출처: Everspin

회사는 2027년까지 시장 규모가 74억 달러에 이를 것으로 추정합니다. 2021년 이후 부채가 없으며 자유 현금 흐름이 긍정적입니다.

Everspin MRAM 제품은 현재 작지만 성장 중인 틈새 시장을 차지하고 있으며, 항공우주, 위성, 데이터 기록기, 환자 모니터링 장치 등 신뢰성이 중요한 시장에 서비스를 제공하고 있습니다.

출처: Everspin

The growth of chipsets, AI, and synaptic systems might also be a long-term boost for the company.

2. NVE Corporation

스핀트로닉스의 또 다른 선두주자인 NVE는 1995년 MRAM 기술에 대한 최초 특허를 획득한 이후 이 기술을 연구해 왔습니다.

이 회사는 스핀트로닉 센서와 아이솔레이터를 생산하며, 주로 자동차, 기어, 의료 기기, 전원 공급 장치 및 기타 산업용 장치의 측정 및 센서 시스템에 사용됩니다.

출처: NVE

이로 인해 NVE는 Everspin과는 다소 다른 범주에 속합니다. NVE는 스핀트로닉스를 이용한 마그네토미터와 같은 틈새 시장에서 강력한 입지를 가진 산업 기업인 반면, Everspin은 인텔, 퀄컴, 도시바, 삼성 등과 경쟁하며 자체 MRAM 제품을 개발하는 메모리/컴퓨팅 기업에 가깝습니다.

(INTC ) (QCOM )

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