Робота
студента групи ФЕ-81
Сичова Дениса Миколайовича
на тему: «Етапи становлення та перспективи розвитку спінтроніки»
Однією з цілей епохи інформаційних технологій є розробка штучного інтелекту на базі обчислювальних пристроїв. Така нейроморфна система дозволить нам вирішувати завдання, з якими людський мозок справляється щодня. Розробка штучного інтелекту вимагає спеціальної елементної бази і комп'ютерної архітектури, здатної імітувати роботу біологічної нейронної мережі.
Сучасні суперкомп'ютери, що працюють на традиційній архітектурі фон Неймана, мають недостатню продуктивність. Вони не можуть ефективно виконувати трудомісткі розрахунки і обробляти великі обсяги даних навіть за допомогою алгоритмів програмного забезпечення нейронних мереж. Комп'ютерам також важко впоратися з такими когнітивними операціями, як розпізнавання образів, розпізнавання тексту, мова, класифікація даних і комплексне прогнозування.
Для порівняння: людський мозок, який щодня обробляє величезну кількість інформації з частотою в кілька десятків герц, споживає в середньому 20 Вт потужності. Сучасні суперкомп'ютери з цією ж метою вимагають до 500 мегават потужності на частоті процесора в кілька гігагерц. Для вирішення цієї проблеми необхідно використовувати нові фізико-технологічні принципи організації пам'яті і розрахунків. Вони збільшать кількість обчислювальних одиниць і прискорять обробку даних.
Одним з найбільш перспективних напрямків наноелектроніки, які відповідають викликам того часу, є спінтроніка (спін електроніка). Електрони несуть не тільки заряд, але і спін, правильний момент імпульсу електрона. Спін електрона, як мініатюрний магніт, створює навколо себе локальне магнітне поле.
У спінтронних пристроях обчислювальні процеси та зберігання інформації здійснюються за фізичними принципами, які відрізняються від традиційної електроніки. За принципом Паулі спін електрона в одній орбіталі атома може знаходитися в одному з двох станів: зі спіном «вгору» або зі спіном «вниз». Спін "вгору" - це стан частинки, в якому орієнтація спіну вирівнюється з віссю квантування магнітного матеріалу. Спін "вниз" - це стан частинки, в якому вектор обертання спрямований навпроти заданої осі. Таким чином, електрон може виступати в якості природного передавача бінарної інформації. Магнітне поле, або потік вільних електронів, який несе в собі власний магнітний момент, змінює поляризацію електрона, що обертається на внутрішніх оболонках атомів матеріалу. Так записуються окремі біти інформації в магнітному стані структури (1 - більшість електронів зі спіном «вгору», 0 - більшість електронів зі спіном «вниз»).
Даний вид запису даних не потребує зовнішньої потужності, тому концепція приваблива для розвитку нового покоління твердотільної пам'яті. З досягненнями в спінтроніці з'являються нові типи пам'яті і логічних пристроїв: енергонезалежна оперативна пам'ять (STT-MRAM), нейроморфні системи і спін-транзистори. Вони енергонезалежні і працюють швидше, ніж традиційні напівпровідникові аналоги. Завдяки можливості масштабування спінтронних конструкцій, розмір пристроїв на їх основі можна радикально зменшити. Так в чіп для зберігання розміром менше сантиметра можна помістити інформацію з об'ємом бібліотечного архіву.
Дослідження спінтроніки
Сто років тому фізики нічого не знали про спін електрона і його здатність передавати дані, і сьогодні комп'ютерну техніку неможливо уявити без технології спінтронних пристроїв.
Фізик Джозеф Джон Томсон відкрив електрон в 1897 році, елементарну частинку з негативним електричним зарядом. Через 12 років фізик Роберт Міллікен і його помічник Харві Флетчер провели експеримент зі зміни заряду електрона. Дослідники довели дискретність електричного заряду і існування заряджених частинок (електронів) в твердому тілі, які набагато менше розміру атома. У 1922 році фізики Отто Штерн і Вальтер Герлах виявили, що електрон має магнітний момент. Пізніше був виявлений принцип Паулі: електрон має спін зі значенням або 1/2, або -1/2, імовірно, що вказує на напрямок обертання електрона навколо власної осі. Вчені прийшли до висновку, що спін - друга квантова властивість електрона - може бути використаний для передачі даних. Це проклало шлях до формування фундаментальних основ спінтроніки.
Перші масштабні дослідження спінтроніки проводилися в 1970-х і 1980-х роках. Вони були присвячені вивченню спін-залежного транспортування зарядних носіїв в твердих тілах. Вчені вивчили особливості ін'єкції спін-поляризованих електронів з феромагнітного в немагнітний метал, розглянули режими генерації спінового струму.
Виявилося, що електрони здатні передавати крутний момент обертання, що впливає на магнітний стан середовища, в яке надходить струм. У той же час в Росії наукова група з Фізико-технічного інституту Іоффе під керівництвом академіка Бориса Захарчені вивчала оптичну спрямованість електронних спінів. Їх дослідження лягло в основу розробки альтернативних методів контролю нерівноважної поляризації твердих тіл немагнітними методами.
У 1981 році група японських вчених на чолі з професором Терунобу Міядзакі вивчила ефект спін-залежного тунелювання електронів в магнітних тунельних гетероструктурах. Це процес, коли частинка з заданою орієнтацією обертання долає потенційний бар'єр навіть тоді, коли її загальна енергія не перевищує висоту бар'єру. Було продемонстровано залежність опору магнітної гетероструктури, що складається з двох феромагнітів, розділених тонким тунельним шаром, від взаємної орієнтації намагнічених намагнічених шарів феромагнітних шарів. Пояснення цього явища було пов'язане зі спін-залежним розсіюванням носіїв заряду при проходженні через тунельний бар'єр. Це доводить спін-залежний характер електронного тунелювання в таких структурах.
Важливу роль у формуванні спінтроніки зіграв ефект спін-холу. Його передбачили радянські вчені Михайло Дяконов і Володимир Перель в 1971 році. Ефект Холла називається виникненням спінового струму в немагнітному провіднику через нерівноважне накопичення електронів з протилежно спрямованою орієнтацією спіну на його межі. Вчені з'ясували, що коли електричний струм тече через провідник, схожий на звичайний ефект Холла, що спостерігається при постійному магнітному полі, загальний потік електронів розпадається на дві частини. Електрони зі спіном «вгору» відхиляються до лівої межі, а електрони зі спіном «вниз» до правої межі провідника, і навпаки - це визначається полярністю струму. Це схоже на вилку на дорозі, по якій ділиться загальний транспортний потік автомобілів. Вони спрямовані один навпроти одного і перпендикулярні початковому напрямку маршруту. При цьому кількість електронів в одному потоці (наприклад, зі спіном «вгору») більше, ніж в іншому (зі спіном «вниз»). Це призводить до генерації ненульового струма обертання. Таке розділення пов'язане зі спін-залежним розсіюванням носіїв заряду в провідній структурі, в результаті чого, крім потоку заряду, в структурі виникає перпендикулярний до нього спіновий потік. Таким чином, ефект spin Hall перетворює електричний струм в струм обертання, який необхідний для ефективного контролю магнітного стану спінтронних пристроїв.
Експерименти з вимірюванням магніторезистентності магнітних гетероструктур є наступним етапом розвитку спінтроніки. У 1975 році група вчених на чолі з французьким професором М. Жульє виявила, що при перемиканні магнітної конфігурації тришарової тунельної структури fe-Ge-Co (від паралельного впорядкування намагнічування феромагнітних шарів на антипаралес) її опір змінюється. При низьких температурах (близько 4,2 К) зміни незначні - 10-11%. У наступних експериментах дослідники використовували немагнітний метал, а не діелектрик, як матеріал прошарку між феромагнітними плівками. Через це магніторезистенція зросла до 30-50%. Ефект гігантської магніторезистенції в багатошарових магнітних структурах, що складаються з змінних магнітних і немагнітних шарів, був виявлений в кінці 1980-х років. Це відкриття було зроблено одночасно в двох незалежних наукових групах - французькій (на чолі з професором Альбертом Фертом) і німецькій (на чолі з Петером Грюнбергом). Спочатку напрямок намагнічування тришарової структури змінювалося зовнішнім магнітним полем. Наприклад, якщо в складі чутливої головки читання в пам'яті є тришарова магнітна структура, то при нанесенні порогового поля на таку магнітну систему змінюється напрямок намагнічування одного з шарів. Ця властивість дозволяє чутливій головці зчитувати простір, заповнений інформацією з магнітного жорсткого диска, і визначати, записаний він чи ні. За відкриття ефекту гігантської магніторезистанції вчені Грюнберг і Ферт були удостоєні Нобелівської премії з фізики в 2007 році. Це призвело до прориву в технологічній індустрії пристроїв на основі спінтронних ефектів, який стався в кінці 1980-х і початку 2000-х років. Цей період став відправною точкою в розвитку ринку пам'яті. Таким чином, одночасно зі збільшенням обсягу зберігання інформації на жорстких дисках з'явився ефективний механізм її зчитування - стали використовуватися високочутливі зчитувальні головки на магніторезистивних конструкціях.
У 2019 році можливості спінтроніки все ще залучають фахівців. Вчені з Далекосхідного федерального університету розробили магнітну наноплинку композиції Fe3O4, яка дозволяє генерувати майже 100% спіновий струм (електричний потік електронів з переважаючим напрямком обертання). комп'ютерних схем. Їх елементи будуть практично миттєво спілкуватися один з одним за рахунок спін-хвилі передачі інформації, що дозволить виконувати завдання високої складності.
Енергонезалежна магнітна пам'ять
За останнє десятиліття досягнення в розробці магнітних тунельних з'єднань (ICC) на кристалічному шарі MgO підняли величину тунельного магнітного опору до 150-200%. В результаті в 2003 році Motorola випустила перші комерційно доступні магнітні мікросхеми випадкового доступу (MRAM). Структури ICC в такій пам'яті зіграли роль носія для зберігання окремих бітів інформації, а зовнішнє магнітне поле змінило їх стан. обсяг MRAM досяг ємності 16 МБ. Однак масштабування такої пам'яті нижче рівня 90 нм виявилося проблематичним: зменшення розмірів шин не дозволило генерувати польове значення, достатнє для перемикання ICC, що уповільнило розвиток напрямку.
У зв'язку з цим в 2012 році з'явилися перші зразки магніторезистивної пам'яті другого покоління, за впливом спін передачі - STT-MRAM (крутний момент передачі спін-передачі) формату DDR3 ємністю 64 Мб. У такій пам'яті запис і зчитування стану МТП відбувається під впливом спін-поляризованого струму, який, в порівнянні з першим поколінням MRAM, дозволяє позбутися від шин польової генерації і тим самим перейти до рівня масштабування до 10 нм і нижче і значно знизити загальне енергоспоживання.
Енергонезалежна незалежність якісно відрізняє спінтронні пристрої від напівпровідникових пристроїв - оперативної пам'яті (DRAM) і кеша (SRAM). Основним недоліком динамічної ПАМ'ЯТІ DRAM є волатильність. При випадковому відключенні живлення втрачається вся інформація у відкритих документах і програмах, що іноді вимагає багато часу і сил для її відновлення. Але якщо використовувати технологію спінтроніки - модуль пам'яті при спін-передачі STT-MRAM - то інформація, записана в магніторезистивних клітинах, буде зберігатися в магнітному стані елемента пам'яті. Після включення комп'ютера вся інформація залишиться на тому ж місці і може бути зчитана з оперативної пам'яті в довгострокову пам'ять. Спін-пам'ять витримує практично необмежену кількість перемикачів. На даний момент (станом на червень 2019 року) фаблесова компанія Everspin вже приступила до виробництва 28-нм модулів STT-MRAM ємністю 1 ГБ з інтерфейсом ST-DDR4. Samsung також розвивається в цьому напрямку (в березні 2019 року почалися поставки STT-MRAM потужністю 256, 512 Мбіт/ с). Це залежить від швидкості технології. Також вже підтверджена масштабованість STT-MRAM до 10 нм. Це означає, що мініатюрні чіпи можуть вмістити в десятки тисяч разів більше інформації, ніж раніше.
Нейронні мережі та штучний інтелект
Сучасні нейроморфні чіпи створюються на напівпровідникових технологіях. Однак мікрочіпи не будуть відтворювати елементарні операції людського мозку: потужності не вистачає. У людському мозку є десятки мільярдів нейронів і сотні трильйонів синапсів, і для того, щоб повторити їх роботу, необхідно звести обчислювальні одиниці до критичних розмірів. Спінтроніка прокладає шлях для реалізації такого масштабного завдання.
Недоліком традиційної архітектури фон Неймана, заснованої на напівпровідниковій технології, є тривалий обмін інформацією між процесором і пам'яттю через шину передачі даних, що пов'язано з їх розміщенням в окремих модулях на чіпі, фізично віддалених один від одного. Програмісти зіткнулися з цим обмеженням під час створення алгоритму роботи нейронних мереж. Вони виконували розрахунки на сучасному комп'ютері, заснованому на архітектурі фон Неймана. У свою чергу, спінтронні нейроморфні пристрої припускають різну організацію електронних компонентів: процесор і пам'ять знаходяться в одному блоці. Їх функціональність виконує той же спінтронний пристрій - штучний нейрон на основі магнітних гетероструктур, що значно прискорює процедуру розрахунку. У той же час передача даних між нейронами може бути організована за допомогою мемрісторних спінтронних структур, що демонструють мультирезистентні стани.
Таким чином, масштабування спінтронних елементів до 10 нм і нижче створить нейроморфну архітектуру, яка імітує біологічну нейронну мережу. Він буде вчитися, розпізнавати образи, писати тексти і відтворювати мову.
Інформаційна безпека
Спінтроніка також розвивається в сфері інформаційної безпеки. Технологія Crocus запатентувала технологію MLU (магнітна логічна одиниця - «магнітна логічна одиниця») для виробництва ключів і чіпів для захисту банківських карт. Нововведення полягає в кодуванні інформації за допомогою пристроїв на основі системи магніторезистивних тунельних структур, що дозволяє кожен раз створювати унікальну послідовність чисел для конкретного користувача при проходженні ідентифікації і отриманні доступу до карти. Технологія STT-MRAM з термонавігаційною активацією. Зараз Crocus Technology працює над створенням прототипу ключів і чіпів.
Машинний зір
Одним з перспективних наукових напрямків в області штучного інтелекту є машинний зір. Прогрес у цьому напрямку дозволить швидко аналізувати та обробляти візуальну інформацію для вирішення прикладних проблем у робототехніці, системах віртуальної реальності, систематизації та сортування рукописних даних, аналізу медичних зображень, розпізнавання тексту.
Спінтроніка корисна для розвитку такої технології: вона дає можливість створювати магнітні гетероструктури, які грають роль спінових діодів і виправляти змінний струм, що утворюється при впливі електромагнітного випромінювання. Це дозволить підвищити ефективність безпілотних систем управління транспортними засобами. Сьогодні для цього завдання використовуються системи на базі технології LIDAR (Light Identification Detection and Ranging). Вони працюють за оптичним принципом, саме тому при поганій видимості і несприятливих погодних умовах виникає проблема розпізнавання перешкод.
Перевагою спінтронних пристроїв і магнітних хвильових детекторів є їх стабільна робота, незалежно від погодних умов. Технологія Spintronic пропонує оригінальне рішення для безпілотних автомобілів, в основі якого лежить виявлення електромагнітних хвиль, відбитих від об'єктів за допомогою системи спінових діодів. Вони виправляють вхідний мікрохвильовий сигнал і мають високу чутливість. У 2018 році наша команда вчених з Московського фізико-технічного інституту (МІПТ) і Національного дослідницького університету «Московський інститут електронних технологій» (MIET) розробила перші тестові зразки спінових діодів по відношенню до систем комп'ютерного зору для італійської компанії IFEVS, яка виробляє електромобілі.
Біотехнології
Одна з головних особливостей спінтроніки - ультрачутливе виявлення магнітного поля, до десятків пікотесла - використовується в медицині. Дослідження про те, як застосовувати сучасний напрямок електроніки в біотехнології, почалися в 2000-х роках. Медичні спінтронні датчики (магніторезистивні датчики) мають більшу чутливість і точність вимірювань, ніж анізотропні магніторезистивні датчики і магнітні датчики Холла, що використовуються в слухових апаратах, кардіо і нейростимуляторах.
Спінтроніка допоможе в лікуванні ракових пухлин. Справа в тому, що в процесі хіміотерапії препарати діють не тільки на ракові тканини, але і на інші органи. Вчені пропонують випустити таблетку в залізній оболонці, яка буде діяти на пухлину. За допомогою магнітного датчика і магнітного поля можна контролювати рух планшета і відстежувати його положення, коли він буде знаходитися всередині людського організму. Спінтроніка дозволить діяти тільки на уражений раком орган, не торкаючись інших.
Поточні дослідження
У майбутньому спінтронічні пристрої зможуть збирати теплову і електромагнітну енергію з різних джерел (тепло тіла людини, інфрачервоне випромінювання, бездротові локальні мережі, такі як Wi-Fi) і перетворювати її в електричний сигнал. Енергії буде достатньо, скажімо, для підзарядки інтернету речей.
Вчені також вивчають вплив спінтроніки на структури з порушеною інверсійною симетрією, які мають спін-орбітальну взаємодію на інтерфейсі товщиною в кілька атомних шарів. У структурах діє спін-орбітальний ефект, в результаті чого при наявності магнітного поля в них можуть виникнути локалізовані магнітні вихори (скайрми) розміром від декількох нанометрів до одного мікрона. Напрямок скручування спінової текстури скайрмсів можна перемикати під дією струму, змінюючи їх магнітний стан. На основі таких структур можна створити новий тип пам'яті, а також сформувати штучні нейрони (вони зберігають і записують дані) і синапси (передають дані) як елементи нейронної мережі. Однак виникає ускладнення: механізми руху і стабільної фіксації скайрмій в спін-орбітальних гетероструктурах до спін-орбітальних гетероструктур досі неясні.
У Росії дослідження в області спінтроніки і наномагнетизму проводяться в Інституті радіотехніки та електроніки імені В. А. Котельникова Російської академії наук (ІРЕ РАН), Московському фізико-технічному інституті (МІПТ), Центрі колективного використання «Мікросистемні технології та електронна компонентна база» (підрозділ Національного дослідницького університету «МІЕТ») в Зеленограді. IRE RAS вивчає механізми передачі спінових хвиль для миттєвого зв'язку між елементами в складі високошвидкісних електронних схем. Тепер відстань, на яку можна ефективно передавати дані через хвилі обертання, досягає одного мікрона - як довжина людської волосини. Вчені намагаються домогтися того, щоб довжина, при якій послаблюється спінова хвиля, збільшилася. Це дозволить організувати ефективну взаємодію між пристроями на чіпі. Центр колективного використання «Мікросистемна технологія та електронна компонентна база» займається розробкою елементної бази нейроморфних спінтронних систем, дослідженнями в області спінової калоритроніки і сенсоретики, активно співпрацює з широким колом вітчизняних і зарубіжних компаній в розробці спінтронних пристроїв.