Elektronikk
Spintronikk: Fremtiden for energieffektiv databehandling
Securities.io har strenge redaksjonelle standarder og kan motta kompensasjon fra gjennomgåtte lenker. Vi er ikke en registrert investeringsrådgiver, og dette er ikke investeringsrådgivning. Vennligst se vår tilknytning.
Hvordan spintronikk kan revolusjonere databehandling
Gradvis begynner maskinvaredatabehandling å se utover silisiumbrikker, eller til og med klassiske former for binær databehandling. Dette er fordi de vanlige brikkene og minnet i datamaskinene og datasentrene våre blir stadig vanskeligere å bygge, med den nyeste generasjonen som har transistorer på knapt noen få nanometer i størrelse.
En annen faktor er at energiforbruket blir et problem ettersom etterspørselen etter datakraft, spesielt for AI-systemer, fortsetter å vokse.
Det finnes mange foreslåtte løsninger, der kvantedatamaskiner og fotonikk er de mest fremtredende alternativene for enten å redusere etterspørselen etter databehandling eller gjøre den raskere og mindre energikrevende.
En annen er spintronikk, som bruker elektroners spinn, en kvantekarakteristikk, i stedet for elektrisk strøm (elektronstrømmen).
Forskere jobber med å gjøre spintronikk så effektiv at den kan erstatte en betydelig del av våre databehov.
En fersk vitenskapelig artikkel av forskere ved Korea Institute of Science and Technology (KIST), Seoul National University, Kunsan National University (Korea), Yonsei University og Johannes Gutenberg University Mainz (Tyskland) har funnet at spinntap kan omdannes tilbake til magnetisering, noe som gjør spintronikkelektronikk enda mer energieffektiv.
De publiserte resultatene sine i Nature Communications1, under tittelen "Magnetiseringsbryting drevet av magnetisk spinndissipasjon".
En annen nylig oppdagelse gjort av forskere ved Det kinesiske vitenskapsakademiet, National Synchrotron Radiation Laboratory (Kina), ShanghaiTech University og Beihang University var hvordan man kan bruke ufullkommenheter i spintroniske materialer for å gjøre elektronikk raskere, smartere og mer effektiv.
De publiserte resultatene sine i Nature Materials2, under tittelen "Ukonvensjonell skalering av den orbitale Hall-effekten".
Spintronikkfordeler og potensielle bruksområder
Elektroniske komponenter, som transistorer, er tradisjonelt bygget av silisium og er avhengige av halvledere. 0- og 1-signalene i binært format indikerer passering eller blokkering av en elektrisk strøm.
En alternativ måte å utføre beregninger på er gjennom spinntroniske enheter, som kjører på elektronspinn (en grunnleggende kvanteegenskap) i stedet for elektrisk strøm (elektronstrømmen).
kilde: Innsikt IAS
Data kan kodes både i spinnvinkelmomentum, som kan forestilles som en innebygd "opp" eller "ned" orientering av elektronet, og orbitalt vinkelmomentum, som beskriver hvordan elektroner beveger seg rundt atomkjerner.
Fordi dette inneholder mer informasjon enn bare 0 og 1, kan spinn inneholde mer data per atom enn tradisjonell elektronikk.
Spintronics har noen få Annet fordeler i forhold til klassiske elektroniske systemer, spesielt:
- Raskere data, ettersom spinn kan endres mye raskt.
- Mindre energiforbruk, da spinn kan endres med mindre kraft enn det tar å opprettholde en fluks av elektroner for å skape en strøm.
- Enkle metaller kan brukes i stedet for komplekse halvledermaterialer.
- Spinn er mindre volatil enn halvlederstatusen, noe som gjør datalagringen mer stabil.
Sveip for å bla →
| Trekk | Tradisjonell elektronikk | spintronics |
|---|---|---|
| Informasjonsbærer | Elektrisk strøm (0 eller 1) | Elektronspinn (opp/ned) |
| Energieffektivitet | Høyt strømforbruk | Lavere strømforbruk |
| Speed | Begrenset av strømmen | Raskere spinnbytte |
| Materialer | Komplekse halvledere | Enkle metaller/oksider |
| Datastabilitet | Flyktig lagring | Stabil, ikke-flyktig |
Spintronics brukes allerede til harddisker og har tillatt datalagringskapasiteten å vokse det siste tiåret.
«Spinn er en kvantemekanisk egenskap ved elektroner, som er som en liten magnet som bæres av elektronene, og peker opp eller ned.»
Vi kan utnytte elektronenes spinn til å overføre og behandle informasjon i såkalte spintronikkenheter.»
Talieh Ghiasi - Postdoktor ved Delft teknologiske universitet
Overvinne materielle utfordringer innen spintronikk
Til tross for disse fordelene har spintronikk ennå ikke vunnet kommersielt fotfeste. Dette skyldes delvis rollen til materialdefekter. Å introdusere ufullkommenheter i et materiale kan noen ganger gjøre det enklere å «skrive» data inn i minnebiter ved å redusere strømbehovet.
Imidlertid øker disse defektene også den elektriske motstanden og reduserer spinn Hall-ledningsevnen, noe som gjør bruken av spinn til å kode data betydelig mer utfordrende.
En løsning kan være å bruke strontiumruthenat (SrRuO3), et overgangsmetalloksid hvis egenskaper kan finjusteres.
Nøye konstruering av defekter i materialet ved hjelp av spesialdesignede enheter og presisjonsmåleteknikker endrer hvordan spinn reagerer på dem.
«Spredningsprosesser som vanligvis forringer ytelsen, forlenger faktisk levetiden til orbital vinkelmomentum, og forbedrer dermed orbitalstrømmen.»
Dette er radikalt forskjellig fra konvensjonelle spinnbaserte systemer. I disse eksperimentene ga skreddersydd konduktivitetsmodulering en 3x forbedring i svitsjeenergieffektivitet.
«Dette arbeidet omskriver i hovedsak regelboken for design av disse enhetene. I stedet for å bekjempe materielle ufullkommenheter, kan vi nå utnytte dem.»
Energieffektiv databehandling med spintronikk
Magnetisme og spinn
Med spinn som et kjennetegn ved elektronpartiklene, er det kanskje ikke overraskende at forskere finner nye sammenhenger mellom spinn og magnetiseringen av elektroniske materialer.
De koreanske forskerne studerte denne sammenhengen. Tradisjonelt sett krever det store strømmer å veksle magnetiseringen av en elektronisk komponent mellom 1 og 0 for å reversere magnetiseringsretningen. Denne prosessen resulterer i spinntap, som har blitt ansett som en viktig kilde til strømsløsing og dårlig effektivitet.
I stedet for å prøve å redusere dette tapet og redusere spinnspredning, ser de ut til å bruke det ved å kombinere et enkelt ferromagnetisk metall med en antiferromagnetisk isolator.
kilde: Nature Materials
kilde: Nature Materials
Spinnstrømmer
Forskerne fokuserte på spinnstrømmer, også kalt magnoner.
kilde: Hubpage
De oppdaget at spinn-til-magnon-konverteringseffektiviteten var høyest når den magnetokrystallinske enkle aksen (n) var nærmest spinnpolarisasjonen (μ).
I praksis betyr det at tapet av spinn ble brukt til å gi energien som var nødvendig for å indusere en endring i materialets magnetiske status.
kilde: Nature Materials
Skalerbar ved bruk av nåværende teknikker
Denne metoden benytter en enkel enhetsstruktur som er kompatibel med eksisterende halvlederproduksjonsprosesser.
«Frem til nå har spintronikkfeltet kun fokusert på å redusere spinntap, men vi har presentert en ny retning ved å bruke tapene som energi for å indusere magnetiseringsbryting».
Det gjør det svært gjennomførbart for masseproduksjon, og det er også fordelaktig for miniatyrisering og høy integrasjon, noe som drastisk kan bremse adopsjonen av mer radikale nye design innen elektronikk.
Derfor kan denne oppdagelsen føre til raske anvendelser innen minne og databehandling av AI-halvledere, minne med ultralavt strømforbruk, nevromorfisk databehandling og sannsynlighetsbaserte databehandlingsenheter.
Siden disse feltene allerede er i vekst, kan dette gi denne teknologien et enormt mulighetsvindu.
«Vi planlegger å aktivt utvikle ultrasmå og lavstrøms AI-halvlederenheter, ettersom de kan tjene som grunnlag for ultralavstrøms databehandlingsteknologier som er essensielle i AI-æraen.»
Konklusjon
Spintronikk har så langt vært begrenset til harddiskteknologi, men den endrer seg raskt takket være en bedre forståelse av hvordan man manipulerer og bruker elektronenes spinn.
Dette bør skape en ny type elektronikk, ikke så mye kraftigere som det er vanlig med nye og mindre brikker, men mer energieffektiv og enda enklere å produsere, begge viktige punkter ettersom energiforbruk i økende grad blir et hinder i utplasseringen av AI-datasentre og edge computing (som for selvkjørende biler eller robotikk).
Spintronics-selskaper
1. Everspin Technologies
Everspin Technologies, Inc. (MRAM + 2.72%)
Everspin er en avdeling av Freescale (nå kjent som NXP, aksjekode NXPI) dedikert til utvikling av MRAM-minnesystemer. Det ble skilt ut og børsnotert i 2016.
Everspin regnes som lederen innen MRAM-teknologi (Magnetoresistiv Random-Access Memory), og arver Freescales erfaring med å være den første som kommersialiserte en MRAM-brikke i 2006.
Fordi MRAM er et minne som vedvarer selv i fravær av strøm, brukes det i økende grad i sensitive brukstilfeller der kritiske data er for viktige til å risikere tap.
Drevet av gjennomgripende applikasjoner som dataanalyse, skytjenester, både terrestrisk og utenomjordisk, kunstig intelligens (KI) og Edge AI, inkludert Industrial IoT, forventes markedet for vedvarende minne å vokse med en CAGR på 27.5 % mellom 2020 og 2030.
kilde: Everspin
Selskapet anslår at markedet vil nå en størrelse på 7.4 milliarder dollar innen 2027. Selskapet har ikke hatt gjeld og positiv fri kontantstrøm siden 2021.
Everspin MRAM-produkter okkuperer for tiden en liten, men voksende nisje, og betjener markeder der pålitelighet er avgjørende, som luftfart, satellitter, dataopptakere, pasientovervåkingsenheter, osv.
kilde: Everspin
Veksten av brikkesett, AI og synaptiske systemer kan også være et langsiktig løft for selskapet.
2. NVE Corporation
NVE Corporation (NVEC + 3.04%)
En annen leder av spintronics, NVE har jobbet med denne teknologien siden det første patentet innen MRAM-teknologi i 1995Den produserer spintronisk sensorer og isolatorer, mest brukt i måle- og sensorsystemer for biler, gir, medisinsk utstyr, strømforsyninger og andre industrielle enheter.
kilde: Nve
Dette setter NVE i en noe annen kategori enn Everspin, der NVE er mer et industriselskap med en sterk posisjon i et nisjemarked (magnetometer som bruker spintronikk), mens Everspin er mer et minne-/datamaskinselskap som jobber med og konkurrerer med selskaper som Intel, Qualcomm, Toshiba og Samsung, som også utvikler sitt eget MRAM-produkt.
Det kan gjøre aksjen mer (eller mindre) attraktiv avhengig av investorenes profiler, der NVEs aksjer mer sannsynlig vil appellere til mer konservative investorer som søker utbytte og sikkerhet.
Studier referert
1. Peng, S., Zheng, X., Li, S. et al. Ukonvensjonell skalering av den orbitale Hall-effekten. Nature Materials. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02326-3
2. Choi, WY., Ha, JH., Jung, MS. et al. Magnetiseringsbryting drevet av magnetisk spinndissipasjon. Nature commungrader 16, 5859 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61073-w
