Magnons: O Futuro dos Chips de Baixa Energia

Computação por Magnons: Um Novo Caminho para Chips de Baixa Energia

À medida que nossa demanda por mais poder de computação cresce, os métodos usados até agora estão lentamente se tornando insuficientes. Principalmente, todos os chips baseados em silício, sejam CPUs, GPUs ou outros, tendem a consumir muita energia.

Essa energia consumida é convertida em calor, que deve ser dissipado dos servidores de data center, caso contrário pode danificar os componentes eletrônicos.

Isso faz com que o fornecimento de energia e o resfriamento se tornem as principais limitações para novos data centers de IA, tanto quanto, ou até mais, do que o desenvolvimento e o fornecimento de chips avançados.

Uma forma de reduzir o consumo de energia computacional é adotar a spintrônica, que utiliza os spins dos elétrons para realizar cálculos. Essa é uma tecnologia já usada em discos rígidos e armazenamento de dados, mas que está se aproximando rapidamente de aplicações comerciais também na computação.

Um novo passo em direção a esse objetivo foi dado por pesquisadores da University of Delaware e da University of Maryland. Eles descobriram como ondas de spin podem ser convertidas em corrente elétrica, revelando um caminho tanto para uma compreensão mais profunda dos materiais magnéticos.

Eles publicaram suas descobertas na PNAS¹, sob o título “Magnon-induced electric polarization and magnon Nernst effects”.

Vantagens da Spintrônica e Aplicações Potenciais

Componentes eletrônicos, como transistores, são tradicionalmente construídos a partir de silício e dependem de semicondutores. Os sinais 0 e 1 em binário indicam a passagem ou o bloqueio de uma corrente elétrica.

Uma forma alternativa de realizar computação é por meio de dispositivos spintrônicos, que operam com o spin dos elétrons (uma característica quântica fundamental) em vez da corrente elétrica (o fluxo de elétrons).

Fonte: Insight IAS

Os dados podem ser codificados tanto no momento angular de spin, que pode ser imaginado como uma orientação “para cima” ou “para baixo” incorporada ao elétron, quanto no momento angular orbital, que descreve como os elétrons se movem ao redor dos núcleos atômicos.

Como isso contém mais informação do que apenas 0 & 1, o spin pode armazenar mais dados por átomo do que a eletrônica tradicional.

A spintrônica tem algumas outras vantagens sobre os sistemas eletrônicos clássicos, notavelmente:

• Dados mais rápidos, pois o spin pode ser alterado muito rapidamente.
• Menor consumo de energia, pois o spin pode ser alterado com menos potência do que o necessário para manter um fluxo de elétrons para criar uma corrente.
• Metais simples podem ser usados em vez de materiais semicondutores complexos.
• O spin é menos volátil que o estado semicondutor, tornando o armazenamento de dados mais estável.

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A spintrônica já é usada em discos rígidos e permitiu que a capacidade de armazenamento de dados crescesse na última década.

“Spin é uma propriedade mecânica quântica dos elétrons, que funciona como um pequeno ímã carregado pelos elétrons, apontando para cima ou para baixo.

Podemos aproveitar o spin dos elétrons para transferir e processar informações em chamados dispositivos spintrônicos.

Talieh Ghiasi - Pesquisador Pós-Doutorando na Delft University of Technology

Controlando Magnons para a Spintrônica de Próxima Geração

Magnons Explicados

Os pesquisadores concentraram-se nas correntes de spin, também chamadas de magnons, que agem como uma onda magnética, movendo os spins dos elétrons ao longo de seu caminho.

Fonte: Hubpage

Magnons são a parte fundamental dos potenciais dispositivos spintrônicos. Isso ocorre porque, enquanto os próprios elétrons permanecem estacionários à medida que os magnons passam por eles, não há calor a ser dissipado, o principal fator limitante nos chips de silício.

Neste estudo, os pesquisadores descobriram que o transporte de magnons pode induzir polarização elétrica mensurável. Eles usaram um material estruturado como um favo de mel feito de níquel-fósforo-selênio (NiPSe3).

Eles descobriram que a polarização elétrica líquida induzida é cerca de 1.000 vezes maior do que a de materiais usados anteriormente, como manganês-fósforo-enxofre (MnPS3).

Além das Correntes de Spin

Anteriormente, outras equipes de pesquisa descobriram que os magnons podem ser usados para converter a perda de spin em energia, aumentando enormemente a eficiência dos sistemas spintrônicos. Outros avanços na spintrônica quiral e redes de ondas de spin escaláveis também trouxeram adições promissoras para futuros computadores baseados em spintrônica.

Este estudo vai ainda mais longe ao provar que os magnons, apesar de sua neutralidade de carga, podem induzir polarização elétrica por meio de seus momentos de spin e orbital.

O funcionamento ocorre através do “Efeito Nernst”, a criação de um campo elétrico quando um material é submetido simultaneamente a um gradiente de temperatura e a um campo magnético.

Mais importante, eles também descobriram que a polarização elétrica líquida pode ser controlada por campos magnéticos externos (um método chamado hibridização de magnons).

Essas descobertas revelam que campos elétricos poderiam ser usados tanto para detectar quanto para manipular magnons sob certas condições, aproveitando seu spin e momento angular orbital.

Rumo a um Modelo Unificado de Computação Magnética

Esta descoberta foi construída sobre trabalhos anteriores da mesma equipe que buscavam criar uma compreensão unificada de spin, magnons e órbitas dos elétrons como um todo.

“Esses resultados integram avanços em magnonics, spinorbitronics e orbitronics para criar uma estrutura unificada que pode ser usada para entender e controlar a manipulação de estados magnéticos.”

Esta descoberta mais recente pode transformar os magnons de fenômenos interessantes subjacentes aos dispositivos spintrônicos em efeitos totalmente controláveis, usando campos magnéticos.

Também cria uma estrutura teórica que será útil futuramente para descobrir ou projetar materiais com momentos orbitais magnéticos substanciais, facilitando a manipulação dos seus atributos magnéticos conforme desejado.

Portanto, embora os chips de spintrônica ainda não estejam prontos para serem integrados rotineiramente em data centers e computadores de IA, eles estão progredindo rapidamente rumo a uma compreensão unificada, tanto nos níveis teórico quanto de engenharia prática.

Por sua vez, isso pode ter implicações importantes para a forma como construímos a próxima geração de computadores clássicos e quânticos.

Enquanto isso, a spintrônica já é usada por empresas para construir eletrônicos de memória e sensores, e pode ser fundamental na criação de chips spintrônicos mais avançados no futuro.

Investindo em Spintrônica

1. Everspin Technologies

Everspin é uma divisão da Freescale (agora conhecida como NXP

(NXPI )) dedicada ao desenvolvimento de sistemas de memória MRAM. Foi desmembrada da Freescale e realizou IPO em 2016.

Everspin é considerada a líder em tecnologia MRAM (Magnetoresistive Random-Access Memory), herdando a experiência da Freescale de ser a primeira a comercializar um chip MRAM em 2006.

Como a MRAM é uma memória que persiste mesmo na ausência de corrente, ela é cada vez mais usada em casos de uso sensíveis onde dados críticos são importantes demais para arriscar perda.

Impulsionado por aplicações onipresentes como análise de dados, computação em nuvem, tanto terrestre quanto extraterrestre, inteligência artificial (IA) e Edge AI, incluindo IoT Industrial, o mercado de memória persistente deve crescer a um CAGR de 27,5% entre 2020 e 2030

Everspin

Fonte: Everspin

A empresa estima que o mercado atingirá um tamanho de US$ 7,4 bilhões até 2027. A empresa não tem dívidas e possui fluxo de caixa livre positivo desde 2021.

Os produtos MRAM da Everspin atualmente ocupam um nicho pequeno, porém crescente, atendendo a mercados onde a confiabilidade é crucial, como aeroespacial, satélites, gravadores de dados, dispositivos de monitoramento de pacientes, etc.

Fonte: Everspin

O crescimento de chipsets, IA e sistemas sinápticos também pode ser um impulso de longo prazo para a empresa.

2. NVE Corporation

Outro líder em spintrônica, A NVE vem trabalhando nessa tecnologia desde sua primeira patente em tecnologia MRAM em 1995. Produz sensores spintrônicos e isoladores, usados principalmente em sistemas de medição e sensores para carros, engrenagens, dispositivos médicos, fontes de energia e outros dispositivos industriais.

Fonte: NVE

Isso coloca a NVE em uma categoria um pouco diferente da Everspin, sendo a NVE mais uma empresa industrial com forte posição em um mercado de nicho (magnetômetros usando spintrônica), enquanto a Everspin é mais uma empresa de memória/computação que trabalha e compete com nomes como Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba e Samsung, que também desenvolvem seu próprio produto MRAM.

Isso pode tornar a ação mais (ou menos) atraente dependendo dos perfis dos investidores, com a ação da NVE mais propensa a atrair investidores mais conservadores que buscam rendimento de dividendos e segurança.

Estudo Referenciado

^{1. D.Quang To, Federico Garcia-Gaitan, Yafei Ren, et al. Magnon-induced electric polarization and magnon Nernst effects. PNAS. 23 de outubro de 2025. https://doi.org/10.1073/pnas.2507255122}