Magnoner: Framtiden för energisnåla chips

Magnonberäkning: En ny väg till energisnåla chip

As our demand for more computing power grows, the methods used until now are slowly becoming insufficient. Most notably, all silicon-based chips, be it CPUs, GPUs, or others, tend to consume a lot of energy.

Den förbrukade energin omvandlas till värme, som måste avledas från datacenterservrar, annars kan den skada elektroniska komponenter.

Detta gör energiförsörjning och kylning till de största begränsningarna för nya AI-datacenter, lika mycket om inte mer än utvecklingen och leveransen av avancerade chip.

Ett sätt att minska energiförbrukningen vid beräkning är att anta spintronik, som använder elektronspinn för att utföra beräkningar. Detta är en teknik som redan används för hårddiskar och datalagring, men som snabbt närmar sig kommersiell tillämpning även inom beräkning.

Ett nytt steg mot detta mål har tagits av forskare vid University of Delaware and the University of Maryland. De upptäckte hur spinnvågor kan omvandlas till elektrisk ström, vilket visar en väg mot både en djupare förståelse av magnetiska material.

De publicerade sina fynd i PNAS¹, under titeln “Magnon-induced electric polarization and magnon Nernst effects”.

Fördelar med spintronik och potentiella tillämpningar

Electronic components, such as transistors, are traditionally built from silicon and rely on semiconductors. The 0 and 1 signals in binary indicate the passing or blocking of an electric current.

Ett alternativt sätt att utföra beräkningar är genom spintronikenheter, som drivs av elektronernas spinn (en grundläggande kvantkaraktäristik) snarare än den elektriska strömmen (elektronernas flöde).

Källa: Insight IAS

Data kan kodas både i spinnets vinkelmoment, vilket kan föreställas som en inbyggd “upp” eller “ned” orientering av elektronen, och i orbitalt vinkelmoment, som beskriver hur elektroner rör sig kring atomkärnor.

Eftersom detta innehåller mer information än bara 0 & 1, kan spinn innehålla mer data per atom än traditionell elektronik.

Spintronik har några andra fördelar jämfört med klassiska elektroniska system, notably:

• Snabbare data, eftersom spinn kan ändras mycket snabbt.
• Mindre energiförbrukning, eftersom spinn kan ändras med mindre kraft än vad som krävs för att upprätthålla ett flöde av elektroner för att skapa en ström.
• Enkla metaller kan användas istället för komplexa halvledarmaterial.
• Spinn är mindre flyktigt än halvledartillståndet, vilket gör datalagringen mer stabil.

Svep för att rulla →

Spintronik används redan för hårddiskar och har gjort det möjligt för lagringskapaciteten att öka under det senaste decenniet.

“Spinn är en kvantmekanisk egenskap hos elektroner, som är som en liten magnet som bärs av elektronerna och pekar upp eller ner.

Vi kan utnyttja elektronernas spinn för att överföra och bearbeta information i så kallade spintronikenheter.

Talieh Ghiasi – Postdoktoral forskare vid Delft University of Technology

Kontroll av magnoner för nästa generations spintronik

Magnoner förklarade

Forskarna fokuserade på spinnströmmar, även kallade magnoner, som fungerar som en magnetisk våg och förflyttar elektronernas spinn längs sin bana.

Källa: Hubpage

Magnoner är den nyckelkomponent i potentiella spintronikenheter. Detta beror på att, när elektronerna själva förblir stilla när magnoner passerar dem, finns ingen värme att avleda, vilket är den största begränsande faktorn i kiselchip.

I denna studie fann forskarna att transport av magnoner kan inducera mätbar elektrisk polarisation. De använde ett material strukturerat som en bikaka gjort av nickel-fosfor-selen (NiPSe3).

De upptäckte att den inducerade totala elektriska polarisationen är ungefär 1 000‑ gånger större än för tidigare använda material, såsom mangan-fosfor-sulfur (MnPS3).

Bortom spinnströmmar

Previously, other research teams found that magnoner kan användas för att omvandla spinnförlust till energi, vilket kraftigt ökar effektiviteten i spintroniksystem. Other progresses i chirala spintronik and skalbara spinnvågsnätverk also brought promising additions to potential future spintronic-based computers.

Denna studie går ännu längre genom att bevisa att magnoner, trots sin laddningsneutralitet, kan inducera elektrisk polarisation genom sina spinn- och orbitalmoment.

Det fungerar genom “Nernst‑effekten”, skapandet av ett elektriskt fält när ett material utsätts för både ett temperaturgradient och ett magnetfält.

Viktigare är att de också fann att den totala elektriska polarisationen kan styras av externa magnetfält (en metod kallad magnonhybridisering).

Dessa fynd visar att elektriska fält kan användas för både att upptäcka och manipulera magnoner under vissa förhållanden genom att utnyttja deras spinn- och orbitala vinkelmoment.

Mot en enhetlig magnetisk beräkningsmodell

Denna upptäckt byggdes på tidigare arbete av samma team som undersökte att skapa en enhetlig förståelse av spinn, magnoner och elektronernas banor tillsammans.

“Dessa resultat integrerar framsteg inom magnonik, spinorbitik och orbitik för att skapa ett enhetligt ramverk som kan användas för att förstå och kontrollera manipulationen av magnetiska tillstånd.”

Den senaste upptäckten kan omvandla magnoner från intressanta fenomen som ligger till grund för spintronik till fullt kontrollerbara effekter, med hjälp av magnetfält.

Den skapar också ett teoretiskt ramverk som senare kan vara användbart för att upptäcka eller konstruera material med betydande magnonorbitalmoment, vilket gör deras magnonegenskaper lättare att manipulera efter vilja.

Så även om spintronikchip ännu inte är redo att rutinmässigt integreras i AI-datacenter och datorer, utvecklas de mycket snabbt mot en enhetlig förståelse, både på teoretisk och praktisk ingenjörsnivå.

Detta kan i sin tur ha viktiga konsekvenser för hur vi bygger nästa generation av både klassiska och kvantdatorer.

Under tiden används spintronik redan av företag för att bygga minneselektronik och sensorer, och de kan vara avgörande för att skapa mer avancerade spintronikchip i framtiden.

Investera i spintronik

1. Everspin Technologies

Everspin är en gren av Freescale (nu känt som NXP

(NXPI )) dedikerad till att utveckla MRAM‑minnessystem. Det spinades ut från Freescale och börsnoterades 2016.

Everspin anses vara ledaren inom MRAM‑teknik (Magnetoresistiv Random‑Access Memory), och ärver Freescales erfarenhet av att vara den första att kommersialisera ett MRAM‑chip år 2006.

Eftersom MRAM är ett minne som kvarstår även utan ström, används det i ökande grad i känsliga tillämpningar där kritiska data är för viktiga för att riskera förlust.

Drivet av omfattande tillämpningar såsom dataanalys, molntjänster, både jordbaserade och rymdbaserade, artificiell intelligens (AI) och Edge AI, inklusive industriell IoT, förväntas marknaden för beständigt minne växa med en CAGR på 27,5 % mellan 2020 och 2030

Everspin

Källa: Everspin

Företaget uppskattar att marknaden kommer att nå en storlek på 7,4  miljarder dollar år 2027. Företaget har haft ingen skuld och positivt fritt kassaflöde sedan 2021.

Everspin MRAM-produkter upptar för närvarande en liten men växande nisch, och betjänar marknader där tillförlitlighet är avgörande, såsom rymdteknik, satelliter, dataregistratorer, patientövervakningsenheter osv.

Källa: Everspin

Tillväxten av chipset, AI och synaptiska system kan också bli en långsiktig drivkraft för företaget.

2. NVE Corporation

Another leader of spintronics, NVE har arbetat med denna teknik sedan deras första patent inom MRAM‑teknik år 1995. It produces spintronic sensorer and isolatorer, mostly used in measurement and sensor systems for cars, gears, medical devices, power supplies, and other industrial devices.

Källa: NVE

Det placerar NVE i en något annan kategori än Everspin, där NVE mer är ett industriföretag med en stark position på en nischmarknad (magnetometer som använder spintronik), medan Everspin är mer ett minne-/beräkningsföretag som arbetar med och konkurrerar med företag som Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba och Samsung, som också utvecklar sina egna MRAM‑produkter.

Det kan göra aktien mer (eller mindre) attraktiv beroende på investerarnas profiler, där NVE:s aktie sannolikt tilltalar mer konservativa investerare som söker utdelningsavkastning och säkerhet.

Studie refererad

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