Ni₄W‑minnesgenombrott möjliggör magnetfri växling

De senaste tekniska framstegen, från big data till artificiell intelligens (AI) till Internet of Things (IoT), samlar in och bearbetar enorma mängder data. För detta krävs hög energieffektivitet, låg latens vid dataöverföring och hög hastighet i bearbetningen. 

Här är framsteg inom högpresterande beräkning (HPC) avgörande för att förbättra databehandlingskapaciteten, genom att utnyttja parallellbearbetning, kraftfull hårdvara och sofistikerad mjukvara.

Dock är minnesåtkomst ofta flaskhalsen, vilket skapar ett starkt behov av minnesteknik som är kompatibel med dessa krav.

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

Idealiskt sett läser och skriver minnet på försumbar tid, förbrukar lite energi, tar obetydligt lite utrymme och behåller sitt lagrade värde för alltid. Men naturligtvis uppfyller ingen minnesteknik i praktiken dessa ideal. Olika teknologier har sina egna styrkor och svagheter, och det finns ingen enskild bästa minnesteknik.

Minnesteknik är främst indelad i två kategorier:

• Volatil
• Icke‑flyktig

Detta baseras på cellens design. Celler är minnes grundläggande enheter, i praktiken en ‘array’ av minnesceller, där varje cell lagrar en bit data, och egenskaperna hos en enskild cell speglar hela arrayens egenskaper.

Ett volatil minne fungerar så länge det är strömsatt och förlorar den lagrade informationen när strömmen stängs av. Därför kan denna typ av minne användas för att lagra data tillfälligt.

Ett icke‑flyktigt minne, däremot, behåller sitt lagrade värde även när strömmen tas bort. För denna specifika minnestyp tillämpas avancerad halvledarteknik, eftersom den är svårare att tillverka och svårare att skriva till elektroniskt.

Med den ökande tillgängligheten av mer avancerad 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 möjliggör att datorer och andra enordningar lagrar och hämtar information som behövs, har forskare kontinuerligt utforskat nya sätt att göra den mer effektiv.

Genom åren har flera genombrott revolutionerat tekniken. Med målet att övervinna begränsningarna i nuvarande RAM‑ och lagringslösningar driver pågående forskning fram snabbare, mer energieffektiv beräkning och möjliggör nya tillämpningar inom områden som AI och neuromorfisk beräkning.

PCM och låg‑effekt‑innovationer

Några av de viktigaste framstegen inom detta område inkluderar nya PCM‑material (Phase Change Memory) för att skapa en enda minnestyp som kombinerar RAM:s hastighet med flashlagrings icke‑flyktighet.

Inom PCM‑området upptäckte forskare i slutet av förra året en ny teknik för att sänka PCM:s energibehov med upp till en miljard gånger.¹

“En av anledningarna till att fasändringsminnen inte har nått bred användning är den energi som krävs,” säger författaren Ritesh Agarwal, professor i materialvetenskap och teknik vid Penn Engineering, vilket innebär att potentialen i resultaten från denna nya teknik är “enorm” för att designa låg‑effekt‑minnen.

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 ferroelectriska (material som kan generera ett internt elektriskt fält utan att kräva en extern laddning) egenskaper.

När indiumselenid utsattes för en kontinuerlig ström observerade forskarna att delar av den amorferades, vilket störde den kristallina strukturen och öppnade “ett nytt område för de strukturella transformationer som kan ske i ett material när alla dessa egenskaper samverkar.”

Multiferroiska material & effektiv datalagring

Multiferroiska material som uppvisar både ferroelectriska och ferromagnetiska egenskaper för icke‑destruktiv datalagring utforskas också av forskare. 

Ett sådant material är kobolt‑substituerad BiFeO₃ (BiFe₀.₉Co₀.₁O₃, BFCO), som uppvisar stark magnetoelektrisk koppling, vilket möjliggör ett energieffektivt sätt att skriva data. Förra året utvecklade forskare från Tokyo Institute of Technology BFCO‑nanodottar med enskilda ferroelectriska och ferromagnetiska domäner.²

I år gjorde forskarna framsteg, byggde vidare på forskningen för att demonstrera verklig växlingsfunktionalitet i orienterade tunna filmer. Den dynamiska kontrollen visar faktisk elektriskt‑fält‑driven magnetiseringsväxling i ett mer enhetskompatibelt format.

Ferroelectriska lösningar & nya minnesdesigner

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

Medan NAND‑flashminne är en av de mest förekommande teknologierna för masslagring av data på grund av dess förmåga att lagra mer data på samma yta genom att stapla celler i en 3D‑struktur, är det beroende av laddningsfällor för att lagra data, vilket innebär högre driftspänningar och lägre hastigheter.

En lovande lösning på detta är hafnia‑baserat (hafniumoxid) ferroelectrisk minne, men utmaningen är begränsad minneskapacitet för datalagring.

Ett team från POSTECH adresserade detta problem genom att doppa de ferroelectriska materialen med aluminium, vilket skapade högpresterande ferroelectriska tunna filmer. Dessutom använde de en innovativ metal‑ferroelectric‑metal‑ferroelectric‑semiconductor (MFMFS) struktur, snarare än den vanliga MFS‑strukturen.

Detta gjorde det möjligt för dem att framgångsrikt kontrollera spänning i varje lager genom finjustering av faktorer som tjocklek och områdesförhållande mellan lagren. Som ett resultat uppnådde teamet ett minnesfönster som överstiger 10 volt (V), jämfört med endast 2 V i konventionella enheter.

Spin‑Orbit‑Torque och magnetisk minnesutveckling

Till och med kvantberäkning får stor uppmärksamhet som en framväxande teknik som banar väg för kraftfullare, effektivare och mer mångsidiga beräkningsenheter i framtiden.

Sedan finns den energieffektiva Spin‑Orbit‑Torque Magnetiska Random Access Memory (SOT‑MRAM), där elektriska strömmar används för att växla magnetiska tillstånd och uppnå hög hastighet samt låg energiförbrukning.

Tidigare i år delade ett forskarteam från JGU Institute of Physics sin innovation baserad på SOT‑MRAM, som visar potential att minska energiförbrukningen med över 50 % och öka effektiviteten med 30 %. Den minskar också den ingångsström som behövs för magnetisk växling för att lagra data med 20 % och uppnår en termisk stabilitet som säkerställer långvarig datalagrning.⁵

Fotonic och magneto‑optiskt minne

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

I en utveckling designade forskare ett programmerbart fotoniskt lås byggt på en kisel‑fotonisk plattform. Varje minnesenhet i systemet drivs av sin egen ljuskälla, vilket möjliggör att flera enheter kan fungera oberoende. Detta förhindrar signalnedbrytning som kan orsakas av optisk effektförlust, 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 flera år bort, representerar detta optiska minne ett betydande steg i den riktningen.

Samtidigt visade ett annat team en ny magneto‑optisk minnesteknik som använder cerium‑substituerad yttriumjärngarnet (Ce:YIG). Detta material uppvisar justerbart optiskt beteende när det utsätts för magnetfält. Genom att inbädda mikroskopiska magneter kunde forskarna lagra och manipulera data genom förändringar i ljusets spridning.

På så sätt introducerade de en ny klass av magneto‑optiska minnen som har växlingshastigheter 100 gånger snabbare än avancerad fotonisk integrerad teknik och förbrukar ungefär en tiondel av energin. 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 ett nytt genombrott inom minnesteknik. 

Publicerad i den peer‑reviewade vetenskapliga tidskriften Advanced Materials, beskriver studien utvecklingen, som involverade användning av Ni₄W, en legering av nickel och volfram. Detta metall kan vända magnetism utan att kräva magneter, och visar därmed potential att driva nästa generations elektronik.⁸

Med teamet som visar ett sätt att producera spinnströmmar för att kontrollera magnetisering i enheter, öppnar studien dörren till billigare, snabbare och mer effektiva datorminnen och logikenheter.

Växling av metallens magnetism utan magneter

Med den ökande efterfrågan på framväxande minnesteknik utforskar forskare aktivt olika alternativ till befintliga minneslösningar som kan öka funktionaliteten i vardaglig teknik samtidigt som de förbrukar mindre energi.

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

Materialet är en nickel‑volfram‑legering, en materialklass känd för sin höga densitet, styrka och motståndskraft mot slitage och korrosion. I dessa legeringar påverkar den specifika sammansättningen av metallerna deras egenskaper. 

I denna studie använde forskarna Ni₄W, ett material som visar kraftfulla magnetiska kontroll egenskaper.

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

Teamet verifierade förekomsten av okonventionell spin‑Hall‑konduktivitet (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 hexagonala liknande gitterstruktur gör den lättare att växa experimentellt.

Materialet kan göra datorminnet snabbare samt avsevärt minska energianvändningen i elektroniska enheter. Forskarna har säkrat ett patent på teknologin.

“Ni₄W minskar energiförbrukningen vid skrivning av data, vilket potentiellt kraftigt minskar energianvändningen i elektronik,” sade seniorförfattare Jian‑Ping Wang, som är Distinguished McKnight Professor och Robert F. Hartmann Chair vid avdelningen för elektroteknik och datorteknik (ECE) vid U of M.

Till skillnad från konventionella material möjliggör den lågsymmetriska Ni₄W ‘fältfri’ växling. Det innebär att materialet kan växla sina magnetiska tillstånd utan att behöva magneter. Genom att generera spinnströmmar i flera riktningar kan Ni₄W vända magnetiska tillstånd ‘fältfritt’ utan att kräva externa magnetfält.

I sitt arbete ger teamet ny insikt i materialet samtidigt som de visar ett mer effektivt tillvägagångssätt för att kontrollera magnetisering i små elektroniska enheter med denna kombination av nickel och volfram.

Enligt studien fann forskarna att Ni₄W genererar stark spin‑orbit‑torque (SOT), ett sätt att manipulera magnetism i nästa generations minnesteknologier.

SOT är en framväxande teknik som möjliggör effektiv manipulation av spinntronic‑enheter, vilka utnyttjar elektronernas inneboende spinn samt deras laddning för att lagra och manipulera information.

Denna mekanism uppstår från effekterna av spin‑orbit‑koppling (SOC), såsom anomalous Hall effect (AHE), spin Hall effect (SHE) och Rashba‑effekten, och visar överlägsen prestanda när det gäller effektivitet och hastighet.

Medan SOT erbjuder ett effektivt sätt att manipulera magnetiseringen av ferromagnetiska material (som uppvisar permanent magnetisering och har ett permanent magnetiskt moment i avsaknad av ett externt fält) i minnesenheter, är konventionella SOT‑material som tunga metaller och topologiska isolatorer begränsade av sin höga kristallsymmetri.

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

Trots framstegen förblir SOT‑effektiviteten hos dessa material låg, vilket begränsar deras praktiska tillämpning. Detta är dock inte fallet med det nya materialet, som visar en hög SOT‑effektivitet på 0.3 vid rumstemperatur.

“Vi observerade hög SOT‑effektivitet med flerledande i Ni₄W både på egen hand och när det lagerlagts med volfram, vilket pekar på dess starka potential för användning i låg‑effekt, hög‑hastighets spinntronic‑enheter.”

– Papirets med‑första författare Yifei Yang, som är femteårs Ph.D.-student i Wang‑gruppen

En hög SOT‑effektivitet på 0,73 observerades också i W/Ni₄W (5 nm), men det kan bero på extrinsiska effekter.

Noterbart är att det nya materialet är gjort av vanliga metaller och därför kan tillverkas med standardindustriella processer. Denna tillverkningslätthet gör det till en lågkostnadsprocess, vilket i sin tur gör Ni₄W attraktivt för industripartners.

Det betyder också att teknologin enkelt kan implementeras i vardagsprodukter som telefoner och smartklockor inom en snar framtid.

“Vi är mycket glada över att våra beräkningar bekräftade valet av materialet och den experimentella SOT‑observationen.”

– Papirets med‑första författare Seungjun Lee, postdoktoral forskare i ECE

Så har studien funnit att Ni₄W är ett lovande okonventionellt SOT‑material för energieffektiva spinntronic‑enheter. Eftersom det är billigt att producera kan det hitta bred tillämpning i enheter som telefoner samt datacenter, vilket gör framtidens elektronik både smartare och mer hållbar.

I nästa steg kommer teamet att odla dessa material till en enhet, mindre än deras tidigare arbete.

Investering 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 spintronic‑ eller SOT‑baserat minne, när de blir kommersiellt gångbara.

Micron Technology (MU )

Med ett marknadsvärde på 126,7 miljarder dollar handlas MU‑aktier för närvarande till 112,78 $, upp 34,54 % hittills i år. Den har en EPS (TTM) på 5,52 och ett P/E (TTM) på 20,53. Utdelningsavkastningen som aktieägarna kan få är 0,41 %.

När det gäller företagets finansiella position rapporterade det 9,30 miljarder dollar i intäkter för tredje kvartalet av räkenskapsåret 2025, som avslutades 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.

GAAP‑nettoresultat för perioden var 1,89 miljarder dollar, eller 1,68 $ per utspädd aktie, och icke‑GAAP‑nettoresultat var 2,18 miljarder dollar, eller 1,91 $ per utspädd aktie. Dess operativa kassaflöde ökade också till 4,61 miljarder dollar.

Micron avslutade kvartalet med 12,22 miljarder dollar i kontanter, marknadsförbara investeringar och begränsade kontanter.

Den rekordhöga intäkten, noterade VD Sanjay Mehrotra, drevs av historiskt hög DRAM‑intäkt, inklusive nästan 50 % sekventiell tillväxt i HBM‑intäkter. Intäkterna från datacenter nådde också ett rekord under kvartalet, medan konsumentinriktade slutmarknader noterade stark sekventiell tillväxt.

“Vi är på rätt spår för att leverera rekordintäkter med solid lönsamhet och fritt kassaflöde under räkenskapsåret 2025, samtidigt som vi gör disciplinerade investeringar för att bygga vidare på vårt teknologiska ledarskap och tillverkningskompetens för att tillfredsställa den växande AI‑drivna minnesefterfrågan.”

– VD Sanjay Mehrotra

Mitt i allt detta meddelade företaget att dess HBM3E 36 GB 12‑high‑erbjudande kommer att integreras i AMD:s nästa generations GPU:er (Instinct™ MI350 Series), kritiska för att träna stora AI‑modeller och hantera komplexa HPC‑arbetsbelastningar som databehandling och beräkningsmodellering.

Micron meddelade också en expansionsplan i USA på 200 miljarder dollar som inkluderar inhemsk minnestillverkning och forskning‑och‑utveckling, vilket förväntas skapa 90 000 direkta och indirekta jobb. Samtidigt slutförde det en direkt finansiering på 275 miljoner dollar i CHIPS‑act.

Senaste nyheter och utveckling kring Micron Technology (MU) aktie

Avslutande tankar om framtiden för minnesteknik

Minnesteknik fortsätter att utvecklas och omforma grunden för modern databehandling. Från fasändringsinnovationer till spintronic‑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 dess fältfria magnetiseringsväxling, kan visa sig vara en spelväxlare som överbryggar klyftan mellan kostnadseffektivitet och högpresterande minneslösningar och potentiellt bana väg för bred adoption av spin‑orbit‑torque‑minne i mainstream‑elektronik under de kommande åren.

Klicka här för en lista över de främsta icke‑silicon‑datortillverkarna.

Referenser:

1. Modi, G.; Parate, S. K.; Kwon, C.; Han, S. H.; Kim, Y.; Wang, X.; Lee, S.; Wu, L.; Kwon, J.; Kim, K.; Zhang, Y.; Milliron, D. J.; Duerloo, K.-A. N.; Kim, M. J.; Jeong, Y.; Park, J. Elektriskt driven långdistans solid‑tillståndsamorfisering i ferroisk In₂Se₃. Nature, 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. Elektriskt fältstyrning av den magneto‑optiska effekten i en transparent perovskit‑oxid. ACS Applied Materials & Interfaces, 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, S. P.; Susarla, S.; Stevenson, P.; Ramesh, R.; Azuma, M. Elektriskt fält‑driven reversering av ferromagnetism i (110)‑orienterade, enkelfasiga, multiferroiska Co‑substituerade BiFeO₃‑tunna filmer. Advanced Materials, publicerad online 28 april 2025, e2419580. https://doi.org/10.1002/adma.202419580
4. Kim, I.–J.; Lee, J.–S.; … Lee, J.–S. Öppna stora minnesfönster och 16‑nivåers data‑per‑cell‑minnesoperationer i hafnia‑baserade ferroelectriska transistorer. Science Advances, 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‑effekt i spin‑orbit‑torque MRAM. Nature Communications, 16, 130 (2025). Received 18 september 2024; Accepted 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. Magneto‑optiska egenskaper hos cerium‑substituerade yttriumjärngarnet‑filmer med reducerad termisk budget för monolitiska fotoniska integrerade kretsar. Optics Express, 20 (27), 28507–28517 (2012). Received 24 oktober 2012; Revised 20 november 2012; Accepted 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 magneto‑optik med ultra‑hög uthållighet för fotonisk in‑minnes‑beräkning. Nature Photonics, 19, 54–62 (2025). Received 18 januari 2024; Accepted 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. Stor spin‑orbit‑torque med flerledande spinkomponenter i Ni₄W. Advanced Materials, publicerad online 15 maj 2025, e2416763. https://doi.org/10.1002/adma.202416763