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超快磁性反转有助于实现快速、低功耗的计算机存储器
2017-11-06


[据固态电子技术网站2017113日报道] 
美国加州大学伯克利分校和加州大学河滨分校的研究人员已经开发出了一种新的,在某些金属内实现电控磁性的超快方法,这一突破可能会带来性能显著提升、更加节能的计算机内存和处理技术。



该研究小组由伯克利大学电气工程与计算机科学(EECSJeffrey Bokor教授领导,研究成果发表在《科学前沿》和《应用物理学快报》上。



计算机使用不同种类的存储技术来存储数据。长期内存器(通常是硬盘或闪存驱动器)需要密集以便存储尽可能多的数据,中央处理单元(CPU)——实现计算机计算功能的硬件——需要独立的存储器,以便在执行操作时短时间存储信息,随机存取存储器(RAM)便是一种短期存储器。



读取和写入数据到RAM需要非常快速,以跟上CPU的计算速度。目前大多数RAM技术是基于电荷(电子)保持能力,并且可以每秒几十亿比特(或比特/纳秒)的速率写入。这些基于电荷的技术缺点是不稳定,需要不间断通电,否则将会丢失数据。



近年来,磁性随机存取存储器(MRAM)作为替代品已经上市。优点在于,即使内存和CPU断电,也能保存信息,节省能源。但是,提高能源效率的代价是降低速度。MRAM面临的一个主要挑战是加快一位信息的写入速度,使其低于10纳秒。



Bokor教授说:“开发与基于电荷的随机存取存储器一样快的非易失性存储器将大大提高计算设备的性能和能源效率。这促使我们寻找新的方法来控制材料中的磁性,比现在的MRAM速度高得多。”



“受近期荷兰利用亚皮秒持续激光脉冲实现超快磁开关实验的启发,我们建立了专门的电路来研究磁性金属如何响应短至几万亿分之一秒,也“皮秒”的电脉冲。”论文的合作者杨杨说。“我们发现,在由钆和铁组成的磁性合金中,这些快速电脉冲可以在10皮秒内切换磁性的方向。这比任何其他的MRAM技术都要快几个数量级。”



现任加州大学河滨分校机械工程助理教授,伯克利EECS博士后研究员Richard Wilson说:“电脉冲暂时增加了铁原子电子的能量,这种能量的增加导致每个铁和钆原子中的磁性相互施加扭矩,并最终导致金属磁极的重新定向。这是利用电流控制磁体的全新方式。”



经过在特殊的钆铁合金上进行电气写入之后,研究小组试图将该方法扩展到更广泛的磁性材料中。伯克利EECS博士后Charles-Henri Lambert说:“钆铁合金的特殊磁性是使这项工作成功的关键。因此,寻找一种方法在更广泛类别的磁性材料中实现电气快速写入是一个令人兴奋的挑战。”



应对该挑战是第二项研究主题,7月份发表在《应用物理快报》上。“我们发现,当我们在钆铁合金的顶部堆叠单元素磁性金属如钴时,两层之间的相互作用使我们能够在空前的时间尺度上操纵钴的磁性。” 劳伦斯伯克利实验室材料科学部的博士后研究员兼加州大学伯克利分校EECS的博士后研究员Jon Gorchon说。



Bokor说:“这两项发现共同为超高速磁存储器提供了一条途径,使新一代的高性能、低功耗计算处理器拥有高速、非易失性存储器。”



其他团队成员包括伯克利EECS博士生Akshay Pattabi,伯克利EECS教授Sayeef Salahuddin。这项研究得到了美国国家科学基金会和美国能源部的资助。(工业和信息化部电子第一研究所  张慧)



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