Genombrott inom Ni₄W-minne möjliggör magnetfri switchning

De senaste tekniska framstegen, från stordata till artificiell intelligens (AI) och sakernas internet (IoT), samlar in och bearbetar massor av data. För det behöver de hög energieffektivitet, dataöverföring med låg latens och hög bearbetningshastighet. 

Här är framsteg inom högpresterande datorteknik (HPC) avgörande för att förbättra databehandlingskapaciteten, för vilken de drar nytta av parallell bearbetning, kraftfull hårdvara och sofistikerad programvara.

Minnesåtkomst tenderar dock att vara flaskhalsen, vilket skapar ett starkt behov av minnesteknik som är kompatibel med dessa krav.

Minnesteknik möjliggör åtkomst, lagring och ändring av data. Informationen här representeras av samlingar av bitar, där varje bit är antingen noll eller ett (alternativt sant eller falskt).

Idealiskt sett läser och skriver minnet på försumbar tid, förbrukar lite ström, upptar obetydligt utrymme och behåller sitt lagrade värde på obestämd tid. Men självklartI praktiken uppfyller ingen minnesteknik dessa ideala villkor. Olika tekniker har sina egen styrkor och svagheter, eftersom det inte finns någon bästa minnesteknik.

Minnesteknik är huvudsakligen uppdelad i två kategorier:

• Flyktig
• Icke-flyktiga

Detta Är baserad på celldesignen. Celler är de grundläggande enheterna i minnet, egentligen en "matris" av minnes"celler", där varje cell innehåller en bit data, och egenskaperna hos en enskild cell återspeglar egenskaperna hos den övergripande matrisen.

Ett flyktigt minne är ett som fungerar så länge det är påslaget och förlorar lagrad information när det är påslaget är avstängd. Därav, den här typen av minne kan användas att lagra data tillfälligt.

Ett icke-flyktigt minne behåller däremot sitt lagrade värde även när strömmen slås av är borttagenFör just denna typ av minne används sofistikerad halvledarteknik appliceras, eftersom den är mer utmanande att tillverka och svårare att skriva till elektroniskt.

Med den ökande tillgången på mer sofistikerad minnesteknik på marknaden blir skillnaden mellan dessa två minneskategorier alltmer suddig.

Genombrott inom minnesteknik

Med tanke på minnesteknikens betydelse för driften och prestandan hos olika elektroniska enheter och system, eftersom den gör det möjligt för datorer och andra enheter att lagra och hämta information som behövs för användning, har forskare ständigt utforskat nya sätt att göra den mer effektiv.

Under årens lopp har flera genombrott revolutionerat tekniken. Med målet att övervinna begränsningarna hos nuvarande RAM- och lagringslösningar driver pågående forskning snabbare och mer energieffektiv databehandling och möjliggör nya tillämpningar inom områden som AI och neuromorfisk databehandling.

PCM och innovationer med låg effekt

Några av de viktigaste framstegen inom detta område inkluderar nya PCM-material (Phase Change Memory) för att skapa en enda minnestyp som kombinerar RAM-minnets hastighet med flashlagrings oföränderlighet.

Inom PCM-sfären, sent förra året, forskare upptäckt¹ en ny teknik för att sänka energibehovet för PCM med upp till 1 miljard gånger.

"En av anledningarna till att fasförändringsminnesenheter inte har nått utbredd användning beror på den energi som krävs", säger författaren Ritesh Agarwal, professor i materialvetenskap och teknik vid Penn Engineering, vilket innebär att potentialen i resultaten av denna nya teknik är "enorm" för att designa minnesenheter med låg effekt.

Denna specifika upptäckt bygger på de unika egenskaperna hos indiumselenid (In2Se3), ett halvledarmaterial som uppvisar både piezoelektriska (material som fysiskt deformeras när de utsätts för en elektrisk laddning) och ferroelektriska (material som kan generera ett internt elektriskt fält utan att kräva en extern laddning) egenskaper. 

När indiumselenid var utsatt till en kontinuerlig ström, observerade forskarna att delar av den amorfiserades, vilket störde den kristallina strukturen och öppnade "ett nytt fält för de strukturella transformationer som kan ske i ett material när alla dessa egenskaper kombineras."

Multiferroiska material och effektiv datalagring

Multiferroiska material som uppvisar både ferroelektriska och ferromagnetiska egenskaper för icke-destruktiv datalagring är också utforskas av forskare. 

Ett sådant material är koboltsubstituerad BiFeO3 (BiFe0.9Co0.1O3, BFCO), som uppvisar stark magnetoelektrisk koppling, vilket möjliggör ett energieffektivt sätt att skriva data. Förra året undersökte forskare från Tokyo Institute of Technology utvecklade² BFCO-nanodoter med enstaka ferroelektriska och ferromagnetiska domäner.

I år har forskarna gjort framsteg³, som bygger vidare på forskningen för att demonstrera verklig omkopplingsfunktionalitet i orienterade tunnfilmer. Den dynamiska styrningen demonstrerar faktisk elektriskt fältdriven magnetiseringsomkoppling i ett mer enhetskompatibelt format.

Ferroelektriska lösningar och nya minnesdesigner

Chiplet-teknik är ett annat tillvägagångssätt där flera mindre chip, eller chiplets, monteras på ett substrat som sammankopplar dem, vilket möjliggör högre minnesbandbredd och densitet. Samtidigt fortsätter framstegen inom NAND-flash- och DRAM-teknik mot mindre processnoder, med fokus på att öka bandbredden och energieffektiviteten.

Även om NAND-flashminne är en av de vanligaste teknikerna för masslagring av data på grund av dess förmåga att lagra mer data i samma område genom att stapla celler i en 3D-struktur, är det beroende av laddningsfällor för att lagra data, vilket innebär högre driftsspänningar och lägre hastigheter.

En lovande lösning på detta är ferroelektriskt minne baserat på hafnia (hafniumoxid), men utmaningen med dem är begränsat minne för datalagring.

Ett team från POSTECH tog upp denna fråga⁴ genom att dopa de ferroelektriska materialen med aluminium, vilket skapade högpresterande ferroelektriska tunna filmer. Dessutom använde de en innovativ metall-ferroelektrisk-metall-ferroelektrisk-halvledare (MFMFS) struktur, snarare än den typiska MFS-strukturen.

Detta gjorde det möjligt för dem att framgångsrikt kontrollera spänningen i varje lager genom att finjustera faktorer som lagrens tjocklek och areaförhållande. Som ett resultat uppnådde teamet ett minnesfönster som översteg 10 volt (V), jämfört med bara 2V i konventionella enheter.

Spinn-orbit vridmoment och magnetisk minnesutveckling

Även kvantkalkylering ser mycket framgång då en framväxande teknik banar väg för framtidens kraftfullare, effektivare och mångsidigare datorenheter.

Sedan finns det energieffektiva Spin-Orbit Torque Magnetic Random Access Memory (SOT-MRAM), där elektriska strömmar används att byta magnetiska tillstånd och uppnå hög hastighet och låg strömförbrukning.

Tidigare i år utarbetade ett forskarteam från JGU Institute of Physics delade sin innovation⁵ baserat på SOT-MRAM, vilket visar potential att minska energiförbrukningen med över 50 % och öka effektiviteten med 30 %. Det minskar också den inström som behövs för magnetisk omkoppling för att lagra data med 20 % och uppnår en termisk stabilitet som säkerställer datalagringens långa livslängd.

Fotoniskt och magneto-optiskt minne

Att styra optiska minneschips med ljus och magneter är ytterligare ett sätt att förbättra bearbetningshastighet och effektivitet.

I en utveckling, forskare designade en programmerbar fotonisk spärr⁶ byggd på en kiselfotonisk plattform. Varje minnesenhet i systemet drivs av sin egen ljuskälla, vilket gör att flera enheter kan fungera oberoende av varandra. Detta förhindrar signalförsämring som optisk effektförlust kan orsaka, vilket gör arkitekturen mer skalbar för större system.

Farshid Ashtiani från Nokia Bell Labs förklarade potentialen:

"Stora språkmodeller som ChatGPT förlitar sig på enorma mängder enkla matematiska operationer, såsom multiplikation och addition, som utförs iterativt för att lära sig och generera svar."

Och även om fullskaliga optiska datorer fortfarande är år bort, representerar detta optiska minne ett betydande steg i den riktningen.

Samtidigt ett annat lag visade en ny magneto-optisk minnesteknik⁷ med hjälp av ceriumsubstituerad yttriumjärngranat (Ce:YIG). Detta material uppvisar avstämbart optiskt beteende när det utsätts för magnetfält. Genom att bädda in mikroskopiska magneter kunde forskarna lagra och manipulera data genom förändringar i ljusutbredning.

På så sätt introducerade de en ny klass av magneto-optiska minnen som har switchhastigheter 100 gånger snabbare än avancerad fotonisk integrerad teknik och förbrukar ungefär en tiondel så mycket energi. Magneto-optiska minnen kan också skrivas om mer än 2.3 miljarder gånger.

Ni₄W: Fältfri magnetisering uppnådd

Forskare från University of Minnesota Twin Cities har nu rapporterat en ny prestation inom minnesteknik. 

Publicerad i den vetenskapliga tidskriften Advanced Materials, som har granskats av experter. studien detaljerade utvecklingent⁸, vilket innebar användningen av Ni₄W, en legering av nickel och volfram. Denna metall vänder magnetism utan att behöva magneter, och visar som sådan potential att driva nästa generations elektronik.

Med laget visa upp a sätt att producera spinnströmmar att kontrollera magnetisering i enheter öppnar studien dörren till billigare, snabbare och effektivare datorminne och logikenheter.

Att byta magnetism hos metall utan magneter

Med den växande efterfrågan på ny minnesteknik utforskar forskare aktivt olika alternativ till befintliga minneslösningar som kan öka vardagens funktionalitet tech samtidigt som den förbrukar mindre energi.

Så vände sig forskare vid University of Minnesota till ett nytt material för att göra datorminne snabbare och mer energieffektivt.

Materialet är en nickel-volframlegering, en materialklass känd för sin hög densitet, styrka och motståndskraft mot slitage och korrosion. I dessa legeringar påverkar metallernas specifika sammansättning deras egenskaper. 

I den här studien har forskarna Begagnade Ni₄W, ett material som visar kraftfulla magnetiska kontrollegenskaper.

För att välja Ni₄W sökte teamet först i materialdatabasen efter potentiella kandidater med stabila faser inom I₄/m-rymdgruppen, och använde sedan beräkningar med densitetsfunktionalteori (DFT), vilka identifierade Ni₄W som den mest lovande kandidaten på grund av att den uppvisade hög teoretisk SOT-effektivitet och var grundtillståndet för det binära intermetalliska Ni-W-systemet.

Teamet verifierade förekomsten av okonventionell spin Hall-ledningsförmåga (USHC) för Ni4W (100) såväl som Ni4W (211), men valde att fokusera sina experimentella ansträngningar på den senare på grund av dess bättre SOT-effektivitet, som överträffade den förra. 

"Teoretiska beräkningar bekräftar att Ni4W (211) är ungefär den mest optimala kristallorienteringen för USHC", noterade studien och tillade att dess hexagonalliknande gitterstruktur gör det lättare att odla experimentellt.

Materialet kan göra datorminne snabbare såväl som signifikant minska energi användning i elektroniska apparater. Forskarna har säkrat ett patent på tekniken.

”Ni₄W minskar strömförbrukningen för att skriva data, vilket potentiellt kan minska energiförbrukningen inom elektronik avsevärt”, säger seniorförfattaren Jian-Ping Wang, som är en framstående McKnight-professor och Robert F. Hartmann-professor vid institutionen för elektro- och datateknik (ECE) vid University of Michigan.

Till skillnad från konventionella material möjliggör lågsymmetriskt Ni₄W "fältfri" växling. Det betyder att materialet kan byta magnetiska tillstånd utan att behöva magneter. Genom att generera spinnströmmar i flera riktningar kan Ni₄W vända magnetiska tillstånd till "fältfria" tillstånd utan att kräva externa magnetfält. 

I sitt arbete ger teamet nya insikter i materialet samtidigt som de visar upp en mer effektiv metod för att kontrollera magnetisering i små elektroniska apparater med hjälp av denna kombination av nickel och volfram.

Enligt studien, forskarna hittade att Ni₄W genererar starkt spinn-orbit-vridmoment (SOT), en sätt att manipulera magnetism i nästa generation minnesteknologier.

SOT är ett framväxande teknik den där möjliggör en effektiv manipulation av spinntroniska anordningar, som använder elektronernas inneboende spinn såväl som deras laddning, för att lagra och manipulera information.

Denna mekanism framträder från effekterna av spin-orbit-koppling (SOC), tycka om den anomala Hall-effekten (AHE), spin-Hall-effekten (SHE) och Rashba-effekten, och visar överlägsen prestanda vad gäller effektivitet och hastighet. 

Medan SOT erbjuder ett effektivt sätt att manipulera magnetiseringen av ferromagnetiska material (som uppvisar permanenta magnetiseringar och har ett permanent magnetiskt moment i frånvaro av ett externt fält) i minnesenheter, kan konventionella SOT-material som tungmetaller och topologiska isolatorer är begränsade genom deras höga kristallsymmetri.

Som ett resultat använder forskare antingen material med låg symmetri eller bryter den höga symmetrin med hjälp av ett externt magnetfält för att producera okonventionella spinnströmmar, vilket möjliggör fältfri deterministisk omkoppling av vinkelrät magnetisering. 

Trots framstegen är SOT-effektiviteten hos dessa material fortsätter att förbli låga, vilket begränsar deras praktiska tillämpning. Detta, är dock inte fallet med det nya materialet, som uppvisar en hög SOT-verkningsgrad på 0.3 vid rumstemperatur.

"Vi observerade hög SOT-effektivitet med multiriktning i Ni₄W både ensamt och i lager med volfram, vilket pekar på dess starka potential för användning i spintroniska enheter med låg effekt och hög hastighet."

– Artikelns medförfattare Yifei Yang, som är femteårsdoktorand i Wangs grupp

En hög SOT-verkningsgrad på 0.73 observerades också i W/Ni4W (5 nm), men den där skulle kunna vara från yttre effekter.

Det är värt att notera att det nya materialet är tillverkat av vanliga metaller och därför kan vara tillverkad med hjälp av standardiserade industriella processer. Denna enkla tillverkning gör det i sin tur till en lågkostnadsprocess, framställning Ni₄W attraktivt för industripartners. Detta innebär också att tekniken kan implementeras i vardagliga produkter tycka om telefoner och smarta klockor enkelt och Inom en snar framtid.

"Vi är mycket glada över att se att våra beräkningar bekräftade materialvalet och de experimentella SOT-observationerna."

– Artikelns medförfattare Seungjun Lee, postdoktor vid ECE

Så studien har funnit att Ni4W är ett lovande okonventionellt SOT-material för energieffektiva spintroniska enheter. Är billig att producera, kan den hitta dess utbredd tillämpning i enheter som telefoner as samt datacenter, vilket gör elektronikens framtid både smartare och mer hållbar.

I nästa steg kommer teamet att växa dessa material i en anordning, mindre än deras tidigare arbete.

Investera i minnesteknik

micron Technology (MU ), en ledande aktör inom DRAM-, NAND- och högbandbreddsminneslösningar, investerar kraftigt i nästa generations minne, såsom HBM, för AI-arbetsbelastningar. I framtiden kan vi förvänta oss att företaget integrerar nya lösningar, såsom spintroniska eller SOT-baserade minnen, när de blir kommersiellt gångbara.

micron Technology (MU )

Med en marknad lock på 126.7 miljarder dollar handlas MU-aktier för närvarande till 112.78 dollar, up 34.54 % hittills i år. Den har en vinst per aktie (TTM) på 5.52 och ett P/E (TTM) på 20.53. Den direktavkastning som aktieägarna kan få är 0.41 %.

Beträffande företagets finansiella ställning rapporterade det en intäkt på 9.30 miljarder dollar för det tredje kvartalet av räkenskapsåret 2025, som slutade den 29 maj 2025. Detta motsvarar en ökning med 15.5 % jämfört med föregående kvartal och en ökning med 36.5 % jämfört med samma period föregående år.

Nettoresultatet enligt GAAP för perioden var 1.89 miljarder dollar, eller 1.68 dollar per utspädd aktie, och nettoresultatet utanför GAAP var 2.18 miljarder dollar, eller 1.91 dollar per utspädd aktie. Dess operativa kassaflöde ökade också till 4.61 miljarder dollar.

Micron avslutade kvartalet med 12.22 miljarder dollar i kontanter, omsättningsbara investeringar och begränsade likvida medel.

Rekordintäkterna, noterade VD Sanjay Mehrotra, drevs av rekordhöga DRAM-intäkter, inklusive nästan 50 % sekventiell tillväxt i HBM-intäkter. Intäkterna från datacenter nådde också rekord under kvartalet, medan konsumentorienterade slutmarknader uppvisade stark sekventiell tillväxt.

”Vi är på god väg att leverera rekordintäkter med solid lönsamhet och fritt kassaflöde under räkenskapsåret 2025, samtidigt som vi gör disciplinerade investeringar för att bygga vidare på vårt tekniska ledarskap och vår tillverkningsexpertis för att möta den växande efterfrågan på AI-drivna minnen.” 

– VD Sanjay Mehrotra

Mitt i allt detta meddelade företaget att Dess HBM3E 36 GB 12-tumsminne kommer att integreras in i AMDs nästa generationsn GPU:er (Instinct™ MI350-serien), avgörande för att träna stora AI-modeller och hantera komplexa HPC-arbetsbelastningar som datagetbearbetning och beräkningsmodellering.

Mikron tillkännagav också en expansionsplan på 200 miljarder dollar i USA, som inkluderar inhemsk minnestillverkning och forskning och utveckling. förväntas för att skapa 90,000 275 direkta och indirekta jobb. Samtidigt slutfördes en direkt finansiering på XNUMX miljoner dollar i CHIPS-lagen.

Senaste Micron Technology (MU) aktienyheter och utveckling

Slutliga tankar om minnesteknikens framtid

Minnestekniken fortsätter att utvecklas och omforma grunden för modern databehandling. Från fasförändringsinnovationer till spintroniska genombrott lovar alla dessa framsteg snabbare, mer energieffektiva och skalbara lösningar för AI, big data och nästa generations konsumentelektronik.

Den senaste upptäckten av Ni₄W-legeringen, med sin fältfria magnetiseringsomkoppling, kan visa sig vara banbrytande och överbrygga klyftan mellan kostnadseffektivitet och högpresterande minneslösningar och potentiellt bana väg för ett brett införande av spin-orbit-vridmomentminne inom vanlig elektronik under de kommande åren.

Klicka här för en lista över de bästa företagen inom icke-kiselbaserad databehandling.

Referenser:

1. Modi, G.; Parate, SK; Kwon, C.; Han, SH; Kim, Y.; Wang, X.; Lee, S.; Wu, L.; Kwon, J.; Kim, K.; Zhang, Y.; Milliron, DJ; Duerloo, K.-AN; Kim, MJ; Jeong, Y.; Park, J. Elektriskt driven långväga fasta tillståndsamorfisering i ferroisk In₂Se₃. Natur, 635, 847–853 (2024). Publicerad online 6 november 2024. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08156-8
2. Ozawa, K.; Nagase, Y.; Katsumata, M.; Shigematsu, K.; Azuma, M. Elektrisk fältkontroll av den magnetooptiska effekten i en transparent perovskitoxid. ACS-tillämpat material och gränssnitt, 16 (16), 20930–20936 (2024). Publicerad online 24 april 2024. https://doi.org/10.1021/acsami.4c01232
3. Itoh, T.; Shigematsu, K.; Das, H.; Meisenheimer, P.; Maeda, K.; Lee, K.; Manna, M.; Reddy, SP; Susarla, S.; Stevenson, P.; Ramesh, R.; Azuma, M. Elektriskt fältdriven reversering av ferromagnetism i (110)-orienterade, enfasiga, multiferroiska samsubstituerade BiFeO₃-tunnfilmer. Avancerade material, publicerad online 28 april 2025, e2419580. https://doi.org/10.1002/adma.202419580
4. Kim, I.–J.; Lee, J.–S.; … Lee, J.–S. Upplåsning av stora minnesfönster och 16-nivåers data-per-cell-minnesoperationer i Hafnia-baserade ferroelektriska transistorer. Vetenskap Förskott, publicerad online 7 juni 2024, 10 (23): eadn1345. https://doi.org/10.1126/sciadv.adn1345
5. Gupta, R.; Bouard, C.; Kammerbauer, F.; Ledesma-Martín, J.O.; Bose, A.; Kononenko, I.; Martin, S.; Usé, P.; Jakob, G.; Drouard, M.; Kläui, M. Utnyttja Orbital Hall Effect i Spin-Orbit Torque MRAM. Nature Communications, 16, 130 (2025). Mottagen 18 september 2024; Godkänd 12 december 2024; Publicerad 2 januari 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55437-x
6. Goto, T.; Onbaşli, M. C.; Ross, C. A. Magnetooptiska egenskaper hos ceriumsubstituerade yttriumjärngranatfilmer med reducerad termisk budget för monolitiska fotoniska integrerade kretsar. Optik Express, 20 (27), 28507–28517 (2012). Mottagen 24 oktober 2012; Reviderad 20 november 2012; Godkänd 21 november 2012; Publicerad online 10 december 2012. https://doi.org/10.1364/OE.20.028507
7. Pintus, P.; Dumont, M.; Shah, V.; Murai, T.; Shoji, Y.; Huang, D.; Moody, G.; Bowers, J. E.; Youngblood, N. Integrerad icke-reciprok magnetooptik med ultrahög uthållighet för fotonisk minnesberäkning. Naturfotonik, 19, 54–62 (2025). Mottagen 18 januari 2024; Godkänd 14 september 2024; Publicerad 23 oktober 2024. https://doi.org/10.1038/s41566-024-01549-1
8. Yang, Y.; Lee, S.; Chen, Y.C.; Jia, Q.; Dixit, B.; Sousa, D.; Odlyzko, M.; Garcia-Barriocanal, J.; Yu, G.; Haugstad, G.; Fan, Y.; Huang, Y.H.; Lyu, D.; Cresswell, Z.; Liang, S.; Benally, O.J.; Low, T.; Wang, J.P. Stort spinn-orbitmoment med multidirektionella spinnkomponenter i Ni₄W. Avancerade material, publicerad online 15 maj 2025, e2416763. https://doi.org/10.1002/adma.202416763