新材料为节能计算打开大门

在过去的十年中，随着日益复杂的人工智能(AI)技术的引入，对计算能力的需求呈指数级增长。新的节能硬件设计可以帮助满足这一需求，同时减少计算的能源使用，支持更快的处理，并允许在设备本身内进行人工智能训练。

“在我看来，我们已经从互联网时代过渡到人工智能时代，”斯坦福大学工程学院利兰·T·爱德华兹教授王珊说。“我们希望在边缘启用人工智能——在您的家用电脑、手机或智能手表上进行本地训练——用于心脏病发作检测或语音识别等。要做到这一点，你需要一个非常快速的非易失性存储器。

Wang和他的同事最近发现了一种材料，可以使一种新型记忆更接近商业化。在《自然材料》杂志上发表的一篇新论文中，研究人员证明，一种叫做锰钯三的金属化合物的薄层具有必要的特性，以促进一种以电子自旋方向存储数据的工作记忆形式。

这种存储器存储方法，称为自旋轨道扭矩磁阻随机存取存储器或SOT-MRAM，有可能比当前方法更快，更有效地存储数据，当前方法使用电荷存储数据，并且需要连续的功率输入来维护该数据。

“我们为未来的节能存储元件提供了基本的构建模块，”王说。“这是非常基础的，但这是一个突破。

利用电子自旋

SOT-MRAM依赖于电子的内在特性，称为自旋。为了理解旋转，将电子想象成一个旋转的篮球，平衡在职业运动员的手指末端。因为电子是带电粒子，旋转将电子变成一个微小的磁铁，沿其轴极化(在这种情况下，从手指延伸的一条线平衡球)。如果电子开关旋转方向，磁铁的南北极就会开关。研究人员可以使用磁性的向上或向下方向(称为磁偶极矩)来表示构成计算机数据位和字节的 1 和 0。

在SOT-MRAM中，流过一种材料(SOT层)的电流产生特定的自旋方向。这些电子的运动，加上它们的自旋方向，产生一个扭矩，可以切换相邻磁性材料中电子的自旋方向和相关磁偶极矩。使用正确的材料，存储磁性数据就像切换SOT层中的电流方向一样简单。

但找到合适的SOT材料并不容易。由于硬件的设计方式，当电子自旋方向在z方向上向上或向下定向时，可以更密集地存储数据。(如果你想象盘子里的三明治，x和y方向沿着面包的边缘，z方向是穿过中间的牙签。不幸的是，如果电流在x方向上流动，大多数材料会在y方向上极化电子自旋。

“传统材料只在y方向上产生自旋 - 这意味着我们需要一个外部磁场来使z方向的开关发生，这需要更多的能量和空间，”王实验室的博士后研究员Fen Xue说。“为了降低能量并具有更高密度的内存，我们希望能够在没有外部磁场的情况下实现这种切换。

研究人员发现，锰钯三具有它们所需的特性。这种材料能够在任何方向上产生自旋，因为它的内部结构缺乏那种会迫使所有电子进入特定方向的晶体对称性。使用锰钯三，研究人员能够证明在y和z方向上的磁化切换，而无需外部磁场。虽然手稿中没有证明，但X方向磁化也可以在没有外部磁场的情况下切换。

“我们的输入电流与其他传统材料相同，但我们现在有三个不同的自旋方向，”Mahendra DC说，他是斯坦福大学的博士后研究员，也是该论文的第一作者。“根据应用的不同，我们可以将磁化控制在我们想要的任何方向上。

DC和Wang赞扬了多学科和多机构的合作，使这些进步成为可能。“内布拉斯加大学的Evgeny Tsymbal实验室领导了预测意外自旋方向和运动的计算，美国国家标准与技术研究所的Julie Borchers实验室领导了测量和建模工作，以揭示锰钯三中复杂的微观结构，”王说。“这真的需要一个村庄。

制造可能性

除了其对称性破坏结构外，锰钯三还具有其他一些特性，使其成为SOT-MRAM应用的绝佳候选者。例如，它可以通过电子设备需要经历的退火后过程来生存并保持其特性。

“退火后要求电子设备在400摄氏度下30分钟，”DC说。“这是这些设备中新材料面临的挑战之一，锰钯三可以处理这个问题。

此外，锰钯三层是使用称为磁控溅射的工艺创建的，这是一种已经在内存存储硬件的其他方面使用的技术。

“这种材料不需要新的工具或新技术，”薛说。“我们不需要有纹理的基材或特殊条件来沉积它。

其结果是一种材料，不仅具有新颖的特性，可以帮助满足我们不断增长的计算需求，而且可以顺利地适应当前的制造技术。研究人员已经在研究使用锰钯三的SOT-MRAM原型，这些原型将集成到实际设备中。

“我们正在用当前的技术碰壁，”DC说。“所以我们必须弄清楚我们还有什么其他选择。