Spintronikk: Fremtiden for energieffektiv databehandling

Hvordan spintronikk kan revolusjonere databehandling

Progressivt begynner maskinvareverdenen å se forbi silisiumbrikker, eller til og med klassiske former for binær databehandling helt og holdent. Dette skyldes at de vanlige brikkene og minnet i våre datamaskiner og datasentre blir stadig vanskeligere å bygge, med den nyeste generasjonen som har transistorer på bare noen få nanometer.

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, hvor kvantedatabehandling 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 utnytter spinnet til elektroner, en kvanteegenskap, i stedet for den elektriske strømmen (flyten av elektroner).

Forskere arbeider med å gjøre spintronikk så effektivt at det kan erstatte en betydelig del av våre databehandlingsbehov.

Et nylig vitenskapelig papir 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 spinn‑tap kan konverteres tilbake til magnetisering, noe som gjør spintroniske elektroniske komponenter enda mer energieffektive.

De publiserte resultatene i Nature Communications¹, med tittelen «Magnetiseringsbytte drevet av magnonisk spinn‑dissipasjon».

En annen nylig oppdagelse av forskere ved Chinese Academy of Sciences, 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 i Nature Materials², med tittelen «Ukonvensjonell skalering av den orbital Hall‑effekten».

Fordeler med spintronikk og potensielle anvendelser

Elektroniske komponenter, som transistorer, er tradisjonelt laget av silisium og er avhengige av halvledere. 0‑ og 1‑signalene i binær indikerer henholdsvis passering eller blokkering av en elektrisk strøm.

En alternativ måte å utføre beregning på er gjennom spintroniske enheter, som opererer på spinnet til elektroner (en grunnleggende kvanteegenskap) i stedet for den elektriske strømmen (flyten av elektroner).

Kilde: Insight IAS

Data kan kodes både i spinnets vinkelmoment, som kan forestilles som en innebygd «opp» eller «ned» orientering av elektronet, og i orbitalt vinkelmoment, 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.

Spintronikk har noen få andre fordeler over klassiske elektroniske systemer, notably:

• Raskere data, siden spinn kan endres mye raskere.
• Lavere energiforbruk, siden spinn kan endres med mindre kraft enn det som kreves for å opprettholde en strøm av elektroner for å skape en strøm.
• Enkle metaller kan brukes i stedet for komplekse halvledermaterialer.
• Spinn er mindre flyktig enn halvlederstatus, noe som gjør datalagringen mer stabil.

Sveip for å rulle →

Spintronikk brukes allerede i harddisker og har gjort det mulig for lagringskapasiteten å vokse de siste tiårene.

“Spinn er en kvantemekanisk egenskap ved elektroner, som er som et lite magnet som bæres av elektronene, pekende opp eller ned.

Vi kan utnytte spinnet til elektroner for å overføre og behandle informasjon i såkalte spintroniske enheter.”

Talieh Ghiasi – Postdoktorforsker ved Delft University of Technology

Overvinne materialutfordringer i spintronikk

Til tross for disse fordelene har spintronikk ennå ikke oppnådd kommersiell gjennomslag. Dette skyldes delvis materialdefekters rolle. Å introdusere ufullkommenheter i et materiale kan noen ganger gjøre det lettere å «skrive» data til minnebiter ved å redusere den nødvendige strømmen.

Imidlertid øker disse defektene også den elektriske motstanden og reduserer spin Hall‑ledningsevnen, noe som gjør bruken av spinn for å kode data betydelig mer utfordrende.

En løsning kan være å bruke strontiumrutenat (SrRuO3), et overgangsmetalloksid hvis egenskaper kan finjusteres.

Nøyaktig ingeniørarbeid med defekter i materialet ved bruk av spesialdesignede enheter og presisjonsmåleteknikker endrer hvordan spinn reagerer på dem.

“Spredningsprosesser som vanligvis reduserer ytelsen, forlenger faktisk levetiden til orbitalt vinkelmoment, og dermed forbedrer orbitalstrømmen.”

Dr. Xuan Zheng – Chinese Academy of Sciences

Dette er radikalt forskjellig fra konvensjonelle spinbaserte systemer. I disse eksperimentene ga skreddersydd ledningsevnemodulering en 3‑ganger forbedring i energiytelsen ved bytting.

“Dette arbeidet omskriver i hovedsak regelboken for design av disse enhetene. I stedet for å bekjempe materialufullkommenheter, kan vi nå utnytte dem.”

Prof. Zhiming Wang – Chinese Academy of Sciences

Energieffektiv databehandling med spintronikk

Magnetisme og spinn

Siden spinn er en egenskap ved elektronpartiklene, er det kanskje ikke overraskende at forskere finner nye sammenhenger mellom spinn og magnetiseringen av elektroniske materialer.

De koreanske forskerne studerte denne forbindelsen. Tradisjonelt krever bytting av magnetiseringen til en elektronisk komponent mellom 1 og 0 store strømmer for å reversere magnetiseringsretningen. Denne prosessen resulterer i spinn‑tap, som har blitt ansett som en hovedkilde til energisløsing og dårlig effektivitet.

I stedet for å prøve å dempe dette tapet og redusere spinn‑dissipasjon, ser de på 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 konverteringseffektiviteten fra spinn til magnon var høyest når den magnetokristallinske lettakse (n) var nærmest spinnpolariseringen (μ).

I praksis betyr det at spinn‑tap ble brukt til å levere den energien som kreves for å indusere en endring i materialets magnetiske status.

Kilde: Nature Materials

Skalerbar med nåværende teknikker

Denne metoden bruker en enkel enhetsstruktur som er kompatibel med eksisterende halvlederproduksjonsprosesser.

“Inntil nå har spintronikkfeltet kun fokusert på å redusere spinn‑tap, men vi har presentert en ny retning ved å bruke tapene som energi for å indusere magnetiseringsbytte,”

Dr. Dong-Soo Han – Seniorforsker ved KIST.

Dette gjør det svært gjennomførbart for masseproduksjon, og det er også fordelaktig for miniaturisering og høy integrasjon, noe som kan bremse adopsjonen av mer radikale nye design i elektronikk drastisk.

Derfor kan denne oppdagelsen raskt finne anvendelse i minne og beregning for AI‑halvledere, ultralavstrømsminne, nevromorfisk beregning og sannsynlighetsbaserte beregningsenheter.

Ettersom disse feltene allerede vokser kraftig, kan dette gi teknologien et enormt mulighetsvindu.

“Vi planlegger aktivt å utvikle ultralette og lavstrøms AI‑halvlederenheter, da de kan fungere som grunnlag for ultralavstrøms datateknologier som er essensielle i AI‑æraen.”

Dr. Dong-Soo Han – Seniorforsker ved KIST.

Konklusjon

Spintronikk har hittil vært begrenset til harddiskteknologi, men den endrer seg raskt takket være en bedre forståelse av hvordan man kan manipulere og bruke elektroners spinn.

Dette bør skape en ny type elektronikk, ikke nødvendigvis kraftigere, som det er vanlig med nye og mindre brikker, men mer energieffektiv og enda enklere å produsere, begge viktige punkter ettersom energiforbruk blir stadig en flaskehals i utrullingen av AI‑datasentre og edge‑databehandling (som for selvkjørende biler eller robotikk).

Spintronikk‑selskaper

1. Everspin Technologies

Everspin er en avdeling av Freescale (nå kjent som NXP, aksjekode NXPI) dedikert til utvikling av MRAM‑minnesystemer. Den ble spunnet av og børsnotert i 2016.

Everspin er ansett som leder innen MRAM‑teknologi (Magnetoresistive Random‑Access Memory), og arver Freescales erfaring som den første til å kommersialisere en MRAM‑brikke i 2006.

Fordi MRAM er et minne som vedvarer selv i fravær av strøm, brukes det i økende grad i sensitive bruksområder hvor kritiske data er for viktige til å risikere tap.

Driven by pervasive applications such as data analytics, cloud computing, both terrestrial and extraterrestrial, artificial intelligence (AI), and Edge AI, including Industrial IoT, the market for persistent memory is projected to grow at a CAGR of 27.5% between 2020 and 2030

Everspin

Kilde: Everspin

Selskapet anslår at markedet vil nå en størrelse på 7,4 milliarder dollar innen 2027. Selskapet har hatt ingen gjeld og positiv fri kontantstrøm siden 2021.

Everspin MRAM‑produkter opptar for tiden en liten, men voksende nisje, og betjener markeder hvor pålitelighet er avgjørende, som romfart, satellitter, dataloggere, pasientovervåkningsenheter osv.

Kilde: Everspin

Veksten av brikkesett, AI og synaptiske systemer kan også gi selskapet et langsiktig løft.

2. NVE Corporation

En annen leder innen spintronikk, NVE har arbeidet med denne teknologien siden sitt første patent på MRAM‑teknologi i 1995. Den produserer spintroniske sensorer og isolatorer, hovedsakelig brukt i måle‑ og sensorsystemer for biler, gir, medisinsk utstyr, strømforsyninger og andre industrielle enheter.

Kilde: NVE

Dette plasserer NVE i en noe annen kategori enn Everspin, med NVE mer som et industriselskap med en sterk posisjon i et nisjemarked (magnetometer som bruker spintronikk), mens Everspin er mer et minne‑/databehandlingsselskap som konkurrerer med Intel, Qualcomm, Toshiba og Samsung, som også utvikler sine egne MRAM‑produkter.

Dette kan gjøre aksjen mer (eller mindre) attraktiv avhengig av investorprofiler, hvor NVE‑aksjen sannsynligvis vil appellere til mer konservative investorer som søker utbytteavkastning og sikkerhet.

Refererte studier

<sup>1. Peng, S., Zheng, X., Li, S. et al. Ukonvensjonell skalering av den orbital Hall‑effekten. Nature Materials. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02326-3
2. Choi, WY., Ha, JH., Jung, MS. et al. Magnetiseringsbytte drevet av magnonisk spinn‑dissipasjon. Nature Communications 16, 5859 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61073-w</sup>