Spintronik: Framtiden för energieffektiv databehandling

Hur spintronik kan revolutionera databehandling

Progressivt börjar hårdvarudatabehandlingsvärlden titta bortom kiselchips, eller till och med klassiska former av binär databehandling helt och hållet. Detta beror på att de vanliga chippen och minnet i våra datorer och datacenter blir allt svårare att tillverka, där den senaste generationen har transistorer som knappt är några nanometer stora.

En annan faktor är att energiförbrukningen blir ett problem i takt med att efterfrågan på beräkningskraft, särskilt för AI‑system, fortsätter att öka.

Det finns många föreslagna lösningar, där kvantdatorer och fotonik är de mest framträdande alternativen för att antingen minska efterfrågan på beräkning eller göra den snabbare och mindre energikrävande.

En annan är spintronik, som utnyttjar elektronernas spinn, en kvantkarakteristik, istället för den elektriska strömmen (elektronflödet).

Forskare arbetar med att göra spintronik så effektivt att det kan ersätta en betydande del av våra beräkningsbehov.

En nyligen publicerad vetenskaplig artikel av forskare vid Korea Institute of Science and Technology (KIST), Seoul National University, Kunsan National University (Korea), Yonsei University och Johannes Gutenberg University Mainz (Tyskland) har funnit att spinnförlust kan omvandlas tillbaka till magnetisering, vilket gör spintronikelektronik ännu mer energieffektiv.

De publicerade sina resultat i Nature Communications¹, med titeln “Magnetization switching driven by magnonic spin dissipation”.

En annan nylig upptäckt av forskare vid Chinese Academy of Sciences, National Synchrotron Radiation Laboratory (Kina), ShanghaiTech University och Beihang University handlade om hur man kan använda imperfektioner i spintroniska material för att göra elektronik snabbare, smartare och mer effektiv.

De publicerade sina resultat i Nature Materials², med titeln “Unconventional scaling of the orbital Hall effect”.

Fördelar med spintronik och potentiella tillämpningar

Elektroniska komponenter, såsom transistorer, byggs traditionellt av kisel och förlitar sig på halvledare. 0‑ och 1‑signalerna i binärt indikerar att en elektrisk ström passerar eller blockeras.

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

Källa: Insight IAS

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

Eftersom detta innehåller mer information än bara 0 och 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 en elektronström för att skapa en ström.
• Enkla metaller kan användas istället för komplexa halvledarmaterial.
• Spinn är mindre flyktigt än halvledarstatus, 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 uppåt eller nedåt.

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

Talieh Ghiasi - Postdoktoral forskare vid Delft University of Technology

Övervinna materialutmaningar inom spintronik

Trots dessa fördelar har spintronik ännu inte fått kommersiell genomslag. Detta beror delvis på materialdefekternas roll. Att införa imperfektioner i ett material kan ibland göra det lättare att ”skriva” data till minnesbitar genom att minska den erforderliga strömmen.

Dessa defekter ökar dock också den elektriska resistansen och minskar spin Hall‑ledningsförmågan, vilket gör användningen av spinn för att koda data betydligt svårare.

En möjlig lösning kan vara att använda strontiummyrikat (SrRuO3), en övergångsmetalloxid vars egenskaper kan finjusteras.

Noggrann ingenjörskonst av defekter i materialet med hjälp av specialdesignade enheter och precisionsmätningsmetoder förändrar hur spinn reagerar på dem.

“Spridningsprocesser som vanligtvis försämrar prestanda förlänger faktiskt livslängden för orbitalt rörelsemoment, vilket förbättrar orbitalströmmen.”

Dr. Xuan Zheng –  Kinesiska akademien för vetenskaper
Detta är radikalt annorlunda jämfört med konventionella spinbaserade system. I dessa experiment gav skräddarsydd ledningsförmågemodulering en 3‑faldig förbättring av växlingsenergi‑effektiviteten.

“Detta arbete skriver i princip om regelboken för design av dessa enheter. Istället för att bekämpa materialimperfektioner kan vi nu utnyttja dem.”

Prof. Zhiming Wang – Kinesiska akademien för vetenskaper

Energieffektiv databehandling med spintronik

Magnetism och spinn

Eftersom spinn är en egenskap hos elektronen kan det vara inte förvånande att forskare hittar nya samband mellan spinn och magnetiseringen av elektroniska material.

De koreanska forskarna studerade detta samband. Traditionellt kräver växling av magnetiseringen i en elektronisk komponent mellan 1 och 0 stora strömmar för att vända magnetiseringsriktningen. Denna process resulterar i spinnförlust, som har betraktats som en stor källa till energiförlust och låg effektivitet.

Istället för att försöka minska denna förlust och reducera spinn‑dissipation, söker de att utnyttja den genom att kombinera en enda ferromagnetisk metall med en antiferromagnetisk isolator.

Källa: Nature Materials

Källa: Nature Materials

Spinströmmar

Forskarnas fokus låg på spinströmmar, även kallade magnoner.

Källa: Hubpage

De upptäckte att spin‑till‑magnon‑omvandlingseffektiviteten var högst när den magnetokristallina lätta axeln (n) var närmast spinnpolarisationen (μ).

I praktiken betyder det att spinnförlusten användes för att tillhandahålla den energi som krävs för att inducera en förändring i materialets magnetiska status.

Källa: Nature Materials

Skalbar med nuvarande tekniker

Denna metod använder en enkel enhetsstruktur som är kompatibel med befintliga halvledartillverkningsprocesser.

“Fram till nu har spintronikfältet fokuserat enbart på att minska spinnförluster, men vi har presenterat en ny riktning genom att använda förlusterna som energi för att inducera magnetiseringsväxling,”

Dr. Dong-Soo Han – Seniorforskare vid KIST.
Det gör det mycket genomförbart för massproduktion, och det är också fördelaktigt för miniaturisering och hög integration, något som kan bromsa antagandet av mer radikala nya designer inom elektronik.

Därför kan denna upptäckt snabbt få tillämpningar inom minne och beräkning för AI‑halvledare, ultralågeffektivt minne, neuromorfisk beräkning och sannolikhetsbaserade beräkningsenheter.

Eftersom dessa områden redan blomstrar, kan detta ge teknologin ett enormt fönster av möjligheter.

“Vi planerar att aktivt utveckla ultralilla och lågströms‑AI‑halvledarenheter, eftersom de kan fungera som grund för ultralågeffektiva beräkningstekniker som är avgörande i AI‑eran.”

Dr. Dong-Soo Han – Seniorforskare vid KIST.

Slutsats

Spintronik har hittills varit begränsad till hårddiskteknik, men den förändras snabbt tack vare en bättre förståelse för hur man manipulerar och använder elektronernas spinn.

Detta bör skapa en ny typ av elektronik, inte nödvändigtvis mer kraftfull, som det är vanligt med nya och mindre chip, utan mer energieffektiv och ännu enklare att tillverka, båda viktiga faktorer när energiförbrukningen blir ett allt större flaskhals i utrullningen av AI‑datacenter och edge‑computing (t.ex. för självkörande bilar eller robotik).

Spintronikföretag

1. Everspin Technologies

Everspin är en avdelning av Freescale (nu känt som NXP, börssymbol NXPI) som är dedikerad till att utveckla MRAM‑minnessystem. Företaget spinades av 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 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 genomgripande 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, datalagringsenheter, patientövervakningsapparater osv.

Källa: Everspin

Tillväxten av chipset, AI och synaptiska system kan också ge företaget en långsiktig skjuts.

2. NVE Corporation

En annan ledare inom spintronik, NVE har arbetat med denna teknik sedan sitt första patent inom MRAM‑teknik 1995. Företaget producerar spintroniska sensorer och isolatorer, främst använda i mät‑ och sensorsystem för bilar, växlar, medicintekniska apparater, strömförsörjningar och andra industriella enheter.

Källa: NVE

Det placerar NVE i en något annorlunda kategori än Everspin, där NVE mer är ett industriföretag med en stark position i en nischmarknad (magnetometer med spintronik), medan Everspin är mer ett minne‑/beräkningsföretag som 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.

Refererade studier

<sup>1. Peng, S., Zheng, X., Li, S. et al. Ovanlig skalning av den orbitala Hall‑effekten. Nature Materials. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02326-3
2. Choi, WY., Ha, JH., Jung, MS. et al. Magnetiseringsväxling driven av magnonisk spinnförlust. Nature Communications 16, 5859 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61073-w</sup>