今天的計(jì)算機(jī)經(jīng)常使用的有多達(dá)四種不同的內(nèi)存技術(shù),從硬盤到內(nèi)存芯片,每個(gè)都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。然而,一項(xiàng)新的存儲(chǔ)記憶技術(shù)可能會(huì)打破這一狀態(tài),實(shí)現(xiàn)具有獨(dú)特的功能組合。這項(xiàng)技術(shù)的縮寫是STT-MRAM,即自旋轉(zhuǎn)移矩磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的英文簡稱。

“所有其他的內(nèi)存技術(shù)都擅長一些特性功能,而不擅長于其他功能。人們希望STT-MRAM可以對于一切功能都能應(yīng)用很好,”電氣工程師Holger Schmidt說,他是加州大學(xué)圣克魯斯分校光電子學(xué)教授。

作為一個(gè)三星全球創(chuàng)新計(jì)劃15個(gè) MRAM的伙伴之一,施密特實(shí)驗(yàn)室與三星的研究人員合作,共同進(jìn)行開發(fā)這一新興的存儲(chǔ)技術(shù)。他的專長在光電領(lǐng)域,施密特使用的是基于超短脈沖激光的光學(xué)技術(shù),研究三星試制的原型器件。他的評估可以幫助公司優(yōu)化他們的材料和制造工藝。

納米磁體

STT-MRAM進(jìn)行信息的存儲(chǔ)是在小型的磁性元件或者橫截面小于100微米的納米磁體的磁態(tài)中。不像其他磁存儲(chǔ)技術(shù),如硬驅(qū)動(dòng)以及其中旋轉(zhuǎn)或磁光盤的讀寫頭,STT-MRAM器件不需要?jiǎng)?因?yàn)槠渲兴秒娏鬟M(jìn)行讀和寫兩種數(shù)據(jù)的處理。盡管當(dāng)前的技術(shù)仍有很大的改善空間,但該項(xiàng)技術(shù)對于實(shí)現(xiàn)具有高速、高密度、高能源效率的存儲(chǔ)技術(shù)有很重要的潛在價(jià)值,這是一種非易失性存儲(chǔ)器,意味著這種存儲(chǔ)的信息,即使當(dāng)電源被切斷時(shí)也不會(huì)丟失。

在過去20年里,物理和材料科學(xué)領(lǐng)域的幾個(gè)關(guān)鍵的進(jìn)展,導(dǎo)致STT-MRAM和其他所謂的自旋電子技術(shù)的發(fā)展。而電子設(shè)備是基于電荷的運(yùn)動(dòng),自旋電子學(xué)所利用的是電子的另一個(gè)特性稱為自旋。自旋是量子力學(xué)中很奇特的概念之一,在我們的宏觀世界中沒有直接的等價(jià)物。可以說,電子的行為就像它們在旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生一個(gè)小的磁矩(就像一個(gè)微小的條形磁鐵的北極和南極),可以與材料中其他電子和原子相互作用。

在STT-MRAM裝置中的微型磁體,稱為自旋閥或磁性隧道結(jié),有兩個(gè)由薄層阻擋開的磁層而電流能夠在其間流通。當(dāng)兩磁性層的自旋對齊時(shí),抵抗力較低,如果兩層有相反的自旋,阻力就會(huì)很大,提供兩可讀和可轉(zhuǎn)換的狀態(tài)代表在計(jì)算機(jī)的二進(jìn)制邏輯0和1。

自旋轉(zhuǎn)移

利用電流作為自旋閥的狀態(tài)的開關(guān)是一項(xiàng)關(guān)鍵性的創(chuàng)新。在一個(gè)極化電流中,電子的自旋排列對其可以轉(zhuǎn)移電子的自旋態(tài)穿過一個(gè)磁層,這種現(xiàn)象稱為自旋轉(zhuǎn)移力矩(STT)。

STT-MRAM芯片這種小應(yīng)用剛剛開始進(jìn)入市場,與數(shù)十家公司正在努力合作,優(yōu)化該項(xiàng)技術(shù)可用于消費(fèi)電子產(chǎn)品。

據(jù)Schmidt敘述,其中一個(gè)挑戰(zhàn)是芯片在盡可能小功率下工作,從而保證他們產(chǎn)生較少的熱量。他解釋說,切換實(shí)現(xiàn)需要多少電流,取決于阻尼,或需要多長時(shí)間才能安定下來進(jìn)入一個(gè)新的自旋態(tài)。在納米磁體中數(shù)組阻尼參數(shù)的測量是非常具有挑戰(zhàn)性的,但Schmidt的實(shí)驗(yàn)室能夠使用短脈沖激光做這個(gè)測試。他和他的合作者,其研究生和第一作者M(jìn)ike Jaris,報(bào)告了他們的最新發(fā)現(xiàn),并發(fā)表在《應(yīng)用物理通訊》雜志上。

“我們能夠提取阻尼的原型設(shè)備,測量和顯示磁體材料性能相對于制造工藝的影響,” Schmidt說。

他說,與三星的合作令人興奮,在他的實(shí)驗(yàn)室,能夠讓他的學(xué)生有機(jī)會(huì)在一個(gè)新興技術(shù)的前沿工作。“這是一個(gè)完全不同類型的內(nèi)存,我希望看到它未來幾年在更多的應(yīng)用程序中使用。”