Magnons: De toekomst van energiezuinige chips

Magnon Computing: Een nieuw pad naar energiezuinige chips

Naarmate onze vraag naar meer rekenkracht groeit, worden de tot nu toe gebruikte methoden langzaam onvoldoende. Met name verbruiken alle op silicium gebaseerde chips, of het nu CPU's, GPU's of andere zijn, veel energie.

Deze verbruikte energie wordt omgezet in warmte, die van datacenter-servers moet worden afgevoerd, anders kunnen ze elektronische componenten beschadigen.

Dit leidt ertoe dat energievoorziening en koeling de belangrijkste beperkingen worden voor nieuwe AI-datacenters, mogelijk zelfs meer dan de ontwikkeling en levering van geavanceerde chips.

Een manier om het energieverbruik van computers te verminderen is het toepassen van spintronic, waarbij de spins van elektronen worden gebruikt voor berekeningen. Dit is een technologie die al wordt gebruikt voor harde schijven en gegevensopslag, maar die ook snel dichter bij commerciële toepassingen in de rekenkunde komt.

Een nieuwe stap in deze richting is gezet door onderzoekers van de University of Delaware en de University of Maryland. Zij ontdekten hoe spingolven kunnen worden omgezet in elektrische stroom, wat een pad onthult naar een dieper begrip van magnetische materialen.

Ze publiceerden hun bevindingen in PNAS¹, onder de titel “Magnon-geïnduceerde elektrische polarisatie en magnon Nernst-effecten”.

Spintronic Voordelen en Potentiële Toepassingen

Elektronische componenten, zoals transistors, worden traditioneel vervaardigd uit silicium en zijn afhankelijk van halfgeleiders. De 0- en 1-signalen in binair geven respectievelijk het doorlaten of blokkeren van een elektrische stroom aan.

Een alternatieve manier om berekeningen uit te voeren is via spintronic-apparaten, die werken op de spin van elektronen (een fundamenteel kwantumkenmerk) in plaats van op de elektrische stroom (de stroom van elektronen).

Bron: Insight IAS

Gegevens kunnen worden gecodeerd in zowel het spinhoeksimpuls, dat kan worden voorgesteld als een ingebouwde “omhoog” of “omlaag” oriëntatie van het elektron, als het orbitale hoeksimpuls, dat beschrijft hoe elektronen rond atoomkernen bewegen.

Omdat dit meer informatie bevat dan alleen 0 & 1, kan spin meer data per atoom bevatten dan traditionele elektronica.

Spintronic heeft een paar andere voordelen ten opzichte van klassieke elektronische systemen, notably:

• Snellere data, omdat spin veel sneller kan worden gewijzigd.
• Minder energieverbruik, omdat spin kan worden gewijzigd met minder vermogen dan nodig is om een stroom van elektronen te handhaven om een stroom te creëren.
• Eenvoudige metalen kunnen worden gebruikt in plaats van complexe halfgeleidermaterialen.
• Spin is minder vluchtig dan de halfgeleiderstatus, waardoor de gegevensopslag stabieler is.

Veeg om te scrollen →

Spintronic wordt al gebruikt voor harde schijven en heeft de opslagcapaciteit de afgelopen decennium laten groeien.

“Spin is een kwantummechanische eigenschap van elektronen, die lijkt op een klein magneetje dat door de elektronen wordt gedragen, wijzend omhoog of omlaag.

We kunnen de spin van elektronen benutten om informatie over te dragen en te verwerken in zogenaamde spintronic-apparaten.

Talieh Ghiasi – Postdoc-onderzoeker aan de Technische Universiteit Delft

Magnons beheersen voor spintronic van de volgende generatie

Magnons uitgelegd

De onderzoekers richtten zich op spinstromen, ook wel magnons genoemd, die fungeren als een magnetische golf die de spins van elektronen langs hun pad verplaatst.

Bron: Hubpage

Magnons vormen het sleutelonderdeel van potentiële spintronic-apparaten. Dit komt doordat de elektronen zelf stationair blijven terwijl magnons erdoorheen gaan, waardoor er geen warmte hoeft te worden afgevoerd, de belangrijkste beperkende factor in siliciumchips.

In deze studie ontdekten de onderzoekers dat het transport van magnons meetbare elektrische polarisatie kan veroorzaken. Ze gebruikten een materiaal gestructureerd als een honingraat, gemaakt van nikkel-fosfor-selenium (NiPSe3).

Ze vonden dat de geïnduceerde netto elektrische polarisatie ongeveer 1.000 keer groter is dan die van eerder gebruikte materialen, zoals mangaan-fosfor-zwavel (MnPS3).

Voorbij spinstromen

Voorheen ontdekten andere onderzoeksteams dat magnons kunnen worden gebruikt om spinverlies om te zetten in energie, waardoor de efficiëntie van spintronic-systemen sterk toeneemt. Andere vooruitgangen in chirale spintronic en schaalbare spin-golfnetwerken brachten ook veelbelovende aanvullingen op potentiële toekomstige spintronic-gebaseerde computers.

Deze studie gaat nog verder door te bewijzen dat magnons, ondanks hun ladingneutraliteit, elektrische polarisatie kunnen veroorzaken via hun spin- en orbitale momenten.

Het werkt via het “Nernst-effect”, de creatie van een elektrisch veld wanneer een materiaal wordt blootgesteld aan zowel een temperatuurgraad als een magnetisch veld.

Belangrijker nog, ontdekten ze ook dat de netto elektrische polarisatie kan worden gecontroleerd door externe magnetische velden (een methode genaamd magnon-hybridisatie).

Deze bevindingen tonen aan dat elektrische velden zowel kunnen worden gebruikt om magnons te detecteren als te manipuleren onder bepaalde omstandigheden, door hun spin- en orbitale hoeksimpuls te benutten.

Naar een verenigd magnetisch rekenmodel

Deze ontdekking is gebouwd op eerder werk van hetzelfde team dat keek naar het creëren van een verenigd begrip van spin, magnons en de banen van elektronen.

“Deze resultaten integreren vooruitgangen in magnonica, spinorbitonica en orbitonica om een verenigd kader te creëren dat kan worden gebruikt om de manipulatie van magnetische toestanden te begrijpen en te beheersen.”

Deze nieuwste ontdekking kan magnons van interessante fenomenen die ten grondslag liggen aan spintronic omzetten in volledig controleerbare effecten, met behulp van magnetische velden.

Het creëert ook een theoretisch kader dat later nuttig zal zijn om materialen met aanzienlijke magnon-orbitale momenten te ontdekken of te ontwerpen, waardoor hun magnon-eigenschappen gemakkelijker naar wens kunnen worden gemanipuleerd.

Hoewel spintronic-chips nog niet klaar zijn om routinematig te worden geïntegreerd in AI-datacenters en computers, maken ze zeer snel vooruitgang naar een verenigd begrip, zowel op theoretisch als praktisch technisch niveau.

Dit kan op zijn beurt belangrijke implicaties hebben voor hoe we de volgende generatie van zowel klassieke als kwantumcomputers bouwen.

Intussen wordt spintronic al door bedrijven gebruikt om geheugen-elektronica en sensoren te bouwen, en ze kunnen instrumenteel zijn bij het creëren van meer geavanceerde spintronic-chips in de toekomst.

Investeren in Spintronic

1. Everspin Technologies

Everspin is een tak van Freescale (nu bekend als NXP

(NXPI )) die zich toelegt op het ontwikkelen van MRAM-geheugensystemen. Het werd afgesplitst van Freescale en ging in 2016 naar de beurs.

Everspin wordt beschouwd als de leider op het gebied van MRAM-technologie (Magnetoresistieve Random-Access Memory), en erft Freescale’s ervaring als de eerste die in 2006 een MRAM-chip commercialiseerde.

Omdat MRAM een geheugen is dat blijft bestaan zelfs zonder stroom, wordt het steeds vaker gebruikt in gevoelige toepassingen waarbij kritieke gegevens te belangrijk zijn om verlies te riskeren.

Gedreven door alomtegenwoordige toepassingen zoals data-analyse, cloudcomputing, zowel terrestrisch als buitenaards, kunstmatige intelligentie (AI) en Edge AI, inclusief industriële IoT, wordt verwacht dat de markt voor persistent geheugen tussen 2020 en 2030 zal groeien met een CAGR van 27,5%

Everspin

Bron: Everspin

Het bedrijf schat dat de markt tegen 2027 een omvang van $7,4 miljard zal bereiken. Het bedrijf heeft sinds 2021 geen schulden en een positieve vrije kasstroom.

Everspin MRAM-producten bezetten momenteel een kleine maar groeiende niche, en bedienen markten waar betrouwbaarheid cruciaal is, zoals de lucht- en ruimtevaart, satellieten, gegevensrecorders, patiëntbewakingsapparaten, enz.

Bron: Everspin

De groei van chipsets, AI en synaptische systemen kan ook een langetermijnboost voor het bedrijf betekenen.

2. NVE Corporation

Een andere leider op het gebied van spintronic, NVE werkt aan deze technologie sinds zijn eerste patent op MRAM-technologie in 1995. Het produceert spintronic sensoren en isolatoren, die voornamelijk worden gebruikt in meet- en sensorsystemen voor auto’s, versnellingsbakken, medische apparaten, voedingen en andere industriële apparaten.

Bron: NVE

Dit plaatst NVE in een enigszins andere categorie dan Everspin, waarbij NVE meer een industrieel bedrijf is met een sterke positie in een nichemarkt (magnetometer met spintronic), terwijl Everspin meer een geheugen/computerbedrijf is dat samenwerkt met en concurreert met bedrijven als Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba en Samsung, die ook hun eigen MRAM-product ontwikkelen.

Dit kan het aandeel aantrekkelijker (of minder aantrekkelijk) maken, afhankelijk van het profiel van beleggers, waarbij het aandeel van NVE waarschijnlijker aantrekkelijk is voor meer conservatieve beleggers die op zoek zijn naar dividendrendement en veiligheid.

Studie geraadpleegd

^{1. D.Quang To, Federico Garcia-Gaitan, Yafei Ren, et al. Magnon-geïnduceerde elektrische polarisatie en magnon Nernst-effecten. PNAS.  23 oktober 2025. https://doi.org/10.1073/pnas.2507255122}