Expositores e Eletrónica
Spintrônica: O Futuro da Computação com Eficiência Energética
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Como a Spintrônica Pode Revolucionar a Computação
Progressivamente, o mundo da computação em hardware está começando a olhar além dos chips de silício, ou mesmo das formas clássicas de computação binária. Isso ocorre porque os chips e a memória comuns em nossos computadores e data centers estão se tornando cada vez mais difíceis de construir, com a última geração tendo transistores de apenas alguns nanômetros de tamanho.
Outro fator é que o consumo de energia está se tornando um problema à medida que a demanda por poder de computação, especialmente para sistemas de IA, continua crescendo.
Há muitas soluções propostas, sendo a computação quântica e a fotônica as opções mais importantes para reduzir a demanda por computação ou torná-la mais rápida e com menor consumo de energia.
Outra é a espintrônica, que utiliza o spin dos elétrons, uma característica quântica, em vez da corrente elétrica (o fluxo de elétrons).
Cientistas estão trabalhando para tornar a spintrônica tão eficiente que ela possa substituir uma parcela significativa de nossas necessidades de computação.
Um artigo científico recente de pesquisadores do Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia (KIST), da Universidade Nacional de Seul, da Universidade Nacional de Kunsan (Coreia), da Universidade Yonsei e da Universidade Johannes Gutenberg de Mainz (Alemanha) descobriu que a perda de spin pode ser convertida novamente em magnetização, tornando a eletrônica spintrônica ainda mais eficiente em termos de energia.
Eles publicaram seus resultados na Nature Communications1, Sob o título "Comutação de magnetização acionada por dissipação de spin magnônico".
Outra descoberta recente de pesquisadores da Academia Chinesa de Ciências, do Laboratório Nacional de Radiação Síncrotron (China), da Universidade Tecnológica de Xangai e da Universidade Beihang foi como usar imperfeições em materiais espintrônicos para tornar a eletrônica mais rápida, inteligente e eficiente.
Eles publicaram seus resultados na Nature Materials2, Sob o título "Escala não convencional do efeito Hall orbital".
Vantagens e potenciais aplicações da espintrônica
Componentes eletrônicos, como transistores, são tradicionalmente construídos em silício e dependem de semicondutores. Os sinais 0 e 1 em binário indicam a passagem ou o bloqueio de uma corrente elétrica.
Uma maneira alternativa de realizar cálculos é por meio de dispositivos spintrônicos, que funcionam com base no 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 do elétron, quanto no momento angular orbital, que descreve como os elétrons se movem ao redor dos núcleos atômicos.
Como isso contém mais informações do que apenas 0 e 1, o spin pode conter mais dados por átomo do que a eletrônica tradicional.
A Spintronics tem alguns Outros vantagens sobre os sistemas eletrônicos clássicos, notavelmente:
- Dados mais rápidos, pois o spin pode ser alterado muito mais rapidamente.
- Menor consumo de energia, pois o spin pode ser alterado com menos energia 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 do semicondutor, tornando o armazenamento de dados mais estável.
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| Característica | Eletrônica Tradicional | Spintrônica |
|---|---|---|
| Portador de informações | Corrente elétrica (0 ou 1) | Spin do elétron (para cima/para baixo) |
| Eficiência energética | Alta demanda de energia | Menor consumo de energia |
| Agilidade (Speed) | Limitado pelo fluxo de corrente | Troca de rotação mais rápida |
| Materiais | Semicondutores complexos | Metais/óxidos simples |
| Estabilidade de dados | Armazenamento volátil | Estável, não volátil |
A spintrônica já é usada em discos rígidos e permitiu que a capacidade de armazenamento de dados crescesse na última década.
“O spin é uma propriedade mecânica quântica dos elétrons, que é como um pequeno ímã carregado pelos elétrons, apontando para cima ou para baixo.
Podemos aproveitar o spin dos elétrons para transferir e processar informações nos chamados dispositivos spintrônicos.”
Talieh Ghiasi - Pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Tecnologia de Delft
Superando desafios materiais na espintrônica
Apesar dessas vantagens, a espintrônica ainda não ganhou força comercial. Isso se deve, em parte, ao papel dos defeitos do material. Introduzir imperfeições em um material pode, às vezes, facilitar a "gravação" de dados em bits de memória, reduzindo a corrente necessária.
Entretanto, esses defeitos também aumentam a resistência elétrica e reduzem a condutividade do Hall do spin, tornando o uso do spin para codificar dados significativamente mais desafiador.
Uma solução pode ser usar rutenato de estrôncio (SrRuO3), um óxido de metal de transição cujas propriedades podem ser ajustadas com precisão.
A engenharia cuidadosa de defeitos no material usando dispositivos personalizados e técnicas de medição de precisão muda a maneira como os spins reagem a eles.
“Processos de espalhamento que normalmente degradam o desempenho na verdade prolongam a vida útil do momento angular orbital, aumentando assim a corrente orbital.”
Isso é radicalmente diferente dos sistemas convencionais baseados em spin. Nesses experimentos, a modulação de condutividade personalizada resultou em uma melhoria de 3x na eficiência energética de comutação.
Este trabalho essencialmente reescreve as regras para o design desses dispositivos. Em vez de lutar contra as imperfeições dos materiais, agora podemos explorá-las.
Computação com eficiência energética com espintrônica
Magnetismo e Spin
Como o spin é uma característica das partículas eletrônicas, talvez não seja surpreendente que os pesquisadores estejam encontrando novas conexões entre o spin e a magnetização de materiais eletrônicos.
Os pesquisadores coreanos estavam estudando essa conexão. Tradicionalmente, alternar a magnetização de um componente eletrônico entre 1 e 0 requer grandes correntes para inverter a direção da magnetização. Esse processo resulta em perda de spin, que tem sido considerada uma grande fonte de desperdício de energia e baixa eficiência.
Em vez de tentar mitigar essa perda e reduzir a dissipação do spin, eles procuram usá-la combinando um único metal ferromagnético com um isolante antiferromagnético.
Fonte: Nature Materials
Fonte: Nature Materials
Correntes de Spin
Os pesquisadores se concentraram nas correntes de spin, também chamadas magnons.
Fonte: Hubpage
Eles descobriram que a eficiência de conversão de spin para magnon era maior quando o eixo fácil magnetocristalino (n) estava mais próximo da polarização do spin (μ).
Na prática, isso significa que a perda de spin foi usada para fornecer a energia necessária para induzir uma mudança no estado magnético do material.
Fonte: Nature Materials
Escalável usando técnicas atuais
Este método adota uma estrutura de dispositivo simples que é compatível com os processos existentes de fabricação de semicondutores.
“Até agora, o campo da spintrônica se concentrou apenas na redução de perdas de spin, mas apresentamos uma nova direção ao usar as perdas como energia para induzir a comutação da magnetização”,
Isso o torna altamente viável para produção em massa e também é vantajoso para miniaturização e alta integração, algo que pode desacelerar drasticamente a adoção de novos designs mais radicais em eletrônicos.
Portanto, essa descoberta pode ter aplicações rápidas em memória e computação de semicondutores de IA, memória de ultrabaixo consumo de energia, computação neuromórfica e dispositivos de computação baseados em probabilidade.
Como esses campos já estão em expansão, isso pode dar a essa tecnologia uma enorme janela de oportunidade.
“Planejamos desenvolver ativamente dispositivos semicondutores de IA ultrapequenos e de baixo consumo de energia, pois eles podem servir de base para tecnologias de computação de ultrabaixo consumo de energia, essenciais na era da IA.”
Conclusão
A espintrônica até então estava limitada à tecnologia de discos rígidos, mas está mudando rapidamente graças a uma melhor compreensão de como manipular e usar os spins dos elétrons.
Isso deve criar um novo tipo de eletrônica, não muito mais potente, como é comum em chips novos e menores, mas mais eficiente em termos de energia e ainda mais fácil de fabricar, dois pontos importantes, já que o consumo de energia se torna cada vez mais um gargalo na implantação de data centers de IA e computação de ponta (como em carros autônomos ou robótica).
Empresas de Spintrônica
1. Tecnologias Everspin
(MRAM )
A Everspin é uma filial da Freescale (agora conhecida como NXP, cotação NXPI) dedicada ao desenvolvimento de sistemas de memória MRAM. Ela foi desmembrada e abriu seu capital em 2016.
A Everspin é considerada líder da tecnologia MRAM (Magnetoresistive Random-Access Memory), herdando a experiência da Freescale de ser o primeiro 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, nos quais dados críticos são importantes demais para correr o risco de perda.
Impulsionado por aplicações abrangentes, como análise de dados, computação em nuvem, terrestre e extraterrestre, inteligência artificial (IA) e Edge AI, incluindo IoT industrial, o mercado de memória persistente deverá crescer a uma CAGR de 27.5% entre 2020 e 2030.
Fonte: Giro eterno
A empresa estima que o mercado atingirá US$ 7.4 bilhões até 2027. A empresa não tem dívidas e tem fluxo de caixa livre positivo desde 2021.
Os produtos MRAM da Everspin estão atualmente ocupando um nicho pequeno, mas crescente, atendendo mercados onde a confiabilidade é crucial, como aeroespacial, satélites, gravadores de dados, dispositivos de monitoramento de pacientes, etc.
Fonte: Giro eterno
O crescimento de chipsets, IA e sistemas sinápticos também pode ser um impulso a longo prazo para a empresa.
2. Corporação NVE
(NVEC )
Outro líder da spintrônica, A NVE tem trabalhado nesta tecnologia desde a sua primeira patente na tecnologia MRAM em 1995. Produz espintrônico sensor e isoladores, usado principalmente em sistemas de medição e sensores para carros, engrenagens, dispositivos médicos, fontes de alimentação e outros dispositivos industriais.
Fonte: NVE
Isso coloca a NVE em uma categoria um pouco diferente da Everspin, com a NVE mais como uma empresa industrial com uma posição forte em um nicho de mercado (magnetômetro usando spintrônica), enquanto a Everspin é mais uma empresa de memória/computação trabalhando e competindo com empresas como Intel, Qualcomm, Toshiba e Samsung, que também estão desenvolvendo seu próprio produto MRAM.
Isso pode tornar as ações mais (ou menos) atraentes dependendo do perfil dos investidores, com as ações da NVE provavelmente atraindo investidores mais conservadores que buscam rendimento de dividendos e segurança.
Estudos Referenciados
1. Peng, S., Zheng, X., Li, S. et ai. Escala não convencional do efeito Hall orbital. Nature Materais. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02326-3
2. Choi, WY., Ha, JH., Jung, MS. et ai. Comutação de magnetização acionada por dissipação de spin magnônico. Nature comumicações 16 (5859). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61073-w
