Magnons: Ang Hinaharap ng Mga Chip na Mas Makatipid sa Enerhiya

Magnon Computing: Isang Bagong Daan sa Mga Chip na Mababang Enerhiya

Habang tumataas ang ating pangangailangan para sa mas maraming kapangyarihan sa pag-compute, ang mga pamamaraang ginagamit hanggang ngayon ay unti-unting nagiging hindi sapat. Pinakakilala, lahat ng mga chip na batay sa silicon, maging ito man ay CPU, GPU, o iba pa, ay karaniwang kumokonsumo ng maraming enerhiya.

Ang enerhiyang ito ay nagiging init, na kailangang maalis mula sa mga server ng data center, kung hindi ay maaaring makasira sa mga elektronikong bahagi.

Nagiging dahilan ito na ang suplay ng enerhiya at paglamig ay nagiging pangunahing limitasyon para sa mga bagong AI data center, kasing laki o higit pa kaysa sa pag-unlad at suplay ng mga advanced na chip.

Isang paraan upang mabawasan ang konsumo ng enerhiya sa pag-compute ay ang paggamit ng spintronics, na gumagamit ng spin ng mga electron para magsagawa ng kalkulasyon. Ito ay teknolohiyang ginagamit na para sa mga hard drive at imbakan ng datos, ngunit mabilis na papalapit sa komersyal na aplikasyon sa pag-compute.

Isang bagong hakbang patungo sa layuning ito ang ginawa ng mga mananaliksik sa University of Delaware at University of Maryland. Natuklasan nila kung paano maaaring gawing kuryente ang mga spin wave, na nagbubukas ng daan tungo sa mas malalim na pag-unawa sa mga magnetic na materyales.

Inilathala nila ang kanilang mga natuklasan sa PNAS¹, sa pamagat na “Magnon-induced electric polarization and magnon Nernst effects”.

Mga Bentahe ng Spintronics at Potensyal na Mga Aplikasyon

Ang mga elektronikong bahagi, tulad ng mga transistor, ay tradisyonal na gawa mula sa silicon at umaasa sa mga semiconductor. Ang mga signal na 0 at 1 sa binary ay nagpapahiwatig ng pagdaan o pagharang ng kuryente.

Isang alternatibong paraan upang magsagawa ng kalkulasyon ay sa pamamagitan ng mga spintronics na aparato, na gumagana sa spin ng mga electron (isang pangunahing katangian ng quantum) sa halip na sa kuryente (daloy ng mga electron).

Pinagmulan: Insight IAS

Maaaring i-encode ang datos sa parehong spin angular momentum, na maaaring isipin bilang nakapaloob na “up” o “down” na orientasyon ng electron, at orbital angular momentum, na naglalarawan kung paano gumagalaw ang mga electron sa paligid ng atomic nuclei.

Dahil ito ay naglalaman ng higit pang impormasyon kaysa sa simpleng 0 at 1, ang spin ay maaaring maglaman ng mas maraming datos bawat atom kumpara sa tradisyonal na electronics.

May ilang iba pang mga bentahe ang Spintronics kumpara sa mga klasikong sistemang elektronik, notably:

• Mas mabilis na datos, dahil ang spin ay maaaring baguhin nang mas mabilis.
• Mas kaunting konsumo ng enerhiya, dahil ang spin ay maaaring baguhin gamit ang mas kaunting kapangyarihan kaysa sa kinakailangan upang mapanatili ang daloy ng mga electron para lumikha ng kuryente.
• Maaaring gamitin ang simpleng mga metal sa halip na kumplikadong mga materyales ng semiconductor.
• Ang spin ay mas hindi volatile kaysa sa katayuan ng semiconductor, kaya mas matatag ang imbakan ng datos.

I-swipe para mag-scroll →

Ang Spintronics ay ginagamit na para sa mga hard drive at nagbigay-daan sa pagtaas ng kapasidad ng imbakan ng datos sa nakaraang dekada.

“Ang spin ay isang quantum mechanical na katangian ng mga electron, na katulad ng isang maliit na magnet na dala ng mga electron, na nakaturo pataas o pababa.

Maaari nating gamitin ang spin ng mga electron upang ilipat at iproseso ang impormasyon sa tinatawag na mga spintronics na aparato.

Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher sa Delft University of Technology

Pagkontrol sa Magnons para sa Susunod na Henerasyon ng Spintronics

Pagpapaliwanag sa Magnons

Ang mga mananaliksik ay tumutok sa mga spin current, na tinatawag ding magnons, na kumikilos tulad ng isang magnetic wave, na nagdadala ng spin ng mga electron habang naglalakbay.

Pinagmulan: Hubpage

Ang mga magnons ay pangunahing bahagi ng mga potensyal na spintronics na aparato. Ito ay dahil, habang ang mga electron mismo ay nananatiling hindi gumagalaw habang dumadaan ang mga magnons, walang init na kailangang ilabas, na siyang pangunahing limitasyong salik sa mga silicon chip.

Sa pag-aaral na ito, natuklasan ng mga mananaliksik na ang pagdaloy ng mga magnons ay maaaring magdulot ng nasusukat na electric polarization. Gumamit sila ng materyal na may estruktura tulad ng honeycomb na gawa sa nickel‑phosphorus‑selenium (NiPSe3).

Natuklasan nila na ang nalikhang net electric polarization ay halos 1,000 beses na mas malaki kaysa sa mga naunang ginamit na materyales, tulad ng manganese‑phosphorus‑sulfur (MnPS3).

Higit Pa sa Spin Currents

Dating nakaraang, natuklasan ng ibang mga pangkat ng pananaliksik na ang maaaring gamitin ang magnons upang i-convert ang pagkawala ng spin sa enerhiya, na lubos na nagpapataas ng kahusayan ng mga spintronics system. Ang iba pang mga pag-unlad sa chiral spintronics at nasusukat na spin-wave networks ay nagdala rin ng mga pangakong karagdagan sa mga potensyal na hinaharap na computer na batay sa spintronics.

Ang pag-aaral na ito ay mas lalong nagpapatunay na ang mga magnons, sa kabila ng kanilang pagiging charge‑neutral, ay maaaring magdulot ng electric polarization sa pamamagitan ng kanilang spin at orbital na momentum.

Ang paraan ng paggana nito ay sa pamamagitan ng “Nerst Effect”, ang paglikha ng isang electric field kapag ang isang materyal ay sumailalim sa parehong temperature gradient at magnetic field.

Higit pa rito, natuklasan din nila na ang net electric polarization ay maaaring kontrolin ng mga panlabas na magnetic field (isang pamamaraan na tinatawag na magnon hybridization).

Ipinapakita ng mga natuklasan na ang mga electric field ay maaaring gamitin upang tuklasin at manipulahin ang mga magnons sa ilalim ng ilang kondisyon sa pamamagitan ng paggamit ng kanilang spin at orbital angular momentum.

Patungo sa Isang Pinag-isang Modelo ng Magnetic Computing

Ang pagtuklas na ito ay binuo mula sa mga naunang gawain ng parehong koponan na naghangad lumikha ng isang pinag-isang pag-unawa sa spin, magnons, at mga orbit ng mga electron.

“Pinagsasama ng mga resulta na ito ang mga pag-unlad sa magnonics, spinorbitronics, at orbitronics upang lumikha ng isang pinag-isang balangkas na maaaring gamitin upang maunawaan at kontrolin ang manipulasyon ng mga magnetic state.”

Ang pinakabagong pagtuklas na ito ay maaaring gawing ang mga magnons mula sa kawili-wiling phenomena na sumusuporta sa spintronics tungong ganap na kontrolableng mga epekto, gamit ang magnetic fields.

Naglilikha rin ito ng isang teoretikal na balangkas na magiging kapaki-pakinabang sa hinaharap upang matuklasan o magdisenyo ng mga materyales na may malalaking magnon orbital moments, na ginagawang mas madaling manipulahin ang kanilang mga katangian ng magnon ayon sa kagustuhan.

Kaya habang ang mga spintronics chip ay hindi pa handa na regular na maisama sa mga AI data center at computer, mabilis silang umuunlad patungo sa isang pinag-isang pag-unawa, kapwa sa teoretikal at praktikal na antas ng engineering.

Sa kalaunan, maaari itong magdala ng mahalagang implikasyon sa kung paano natin itatayo ang susunod na henerasyon ng parehong klasikong at quantum na mga computer.

Sa kasalukuyan, ginagamit na ng mga kumpanya ang spintronics upang gumawa ng memory electronics at sensors, at maaaring maging mahalaga ito sa paglikha ng mas advanced na spintronics chip sa hinaharap.

Pamumuhunan sa Spintronics

1. Everspin Technologies

Ang Everspin ay isang sangay ng Freescale (kilala na ngayon bilang NXP
(NXPI )) na nakatuon sa pag-develop ng mga MRAM memory system. Ito ay naghiwalay mula sa Freescale at nag-IPO noong 2016.

Itinuturing ang Everspin bilang lider ng teknolohiyang MRAM (Magnetoresistive Random-Access Memory), na nagmana ng karanasan ng Freescale bilang unang nagkomersyalisa ng MRAM chip noong 2006.

Dahil ang MRAM ay isang memory na nananatili kahit walang kasalukuyang kuryente, ito ay lalong ginagamit sa mga sensitibong kaso kung saan napakahalaga ng kritikal na datos na hindi dapat mawala.

Dahil sa malawak na aplikasyon tulad ng data analytics, cloud computing, parehong terrestrial at extraterrestrial, artificial intelligence (AI), at Edge AI, kabilang ang Industrial IoT, inaasahang lalaki ang merkado para sa persistent memory sa CAGR na 27.5% mula 2020 hanggang 2030

Everspin

Pinagmulan: Everspin

Tinatantiya ng kumpanya na aabot sa $7.4B ang laki ng merkado pagsapit ng 2027. Walang utang ang kumpanya at may positibong libreng cash flow mula 2021.

Ang mga produktong MRAM ng Everspin ay kasalukuyang sumasakop sa isang maliit ngunit lumalawak na niche, na nagsisilbi sa mga merkado kung saan mahalaga ang pagiging maaasahan, tulad ng aerospace, satellites, data recorders, mga device para sa pagmamanman ng pasyente, atbp.

Pinagmulan: Everspin

Ang paglago ng mga chipset, AI, at mga synaptic system ay maaaring magbigay din ng pangmatagalang pag-angat para sa kumpanya.

2. NVE Corporation

Isa pang lider ng spintronics, ang NVE ay nagtrabaho sa teknolohiyang ito mula pa noong unang patente nito sa MRAM technology noong 1995. Gumagawa ito ng mga spintronic na sensor at isolator, na kadalasang ginagamit sa mga measurement at sensor system para sa mga sasakyan, gear, medikal na device, power supply, at iba pang industriyal na kagamitan.

Pinagmulan: NVE

Ipinapasok nito ang NVE sa bahagyang ibang kategorya kumpara sa Everspin, kung saan ang NVE ay higit na isang industriyal na kumpanya na may matibay na posisyon sa isang niche market (magnetometer na gumagamit ng spintronics), habang ang Everspin ay higit na isang memory/computing na kumpanya na nakikipagkumpetensya sa mga tulad ng Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba, at Samsung, na nagde-develop din ng kanilang sariling MRAM na produkto.

Maaaring gawing mas (o mas kaunti) kaakit-akit ang stock depende sa profile ng mga mamumuhunan, kung saan ang stock ng NVE ay mas malamang na makaakit ng mga konserbatibong mamumuhunan na naghahanap ng dividend yield at kaligtasan.

Pag-aaral na Binanggit

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