Номер 12, 2006

ЗДРАВСТВУй, СПИНТРОНИКА!

Быстрая, экономная, постоянная, компактная: электроника спина стала революцией. Она использует внутреннее качество электрона для передачи информации намного более эффективным памяти и транзисторам.

Наконец, она пришла! Она, это – память, которая никогда не забывает, универсальная память, память будущего. Эта память получила название MRAM (Magnetic Random Access Memory).

MRAM – сплошной набор преимуществ. Когда компьютеры, телефоны, электронные помощники, плееры МР3 требуют все больше памяти для складирования различной информации, расчета и управления комплексом системы, эта память способна делать все и заменить их все. Более того, она устраняет недостатки своих конкурентов, не теряя их достоинств.

Так, память «Флеш» имеет широкие возможности, но медленно записывает. DRAM и SRAM – скоростные виды памяти, но теряют информацию при остановке питания. MRAM не только быстрее (в 1000 раз, чем «Флеш»), но и не летуча. Это позволяет получить огромную экономию энергии, поскольку аппаратура перестает нуждаться в постоянном питании для поддержания информации. Нет проблем и с миниатюризацией компонентов, поскольку они будут уменьшаться по мере технологического прогресса.

Она имеет все, чтобы нравиться. Она – авангард новой технологии, готовой подстегнуть нынешнюю электронику. Как указывает название, эта технология основывается на электронах, вернее – на их электрических зарядах. Напряжение, емкость, плотность тока лежат в основе работы памяти, транзисторов и прочих логических портов, составляющих память информационных машин.

MRAM использует дополнительное свойство электронов – спин. В любом материале заряженные частицы не только движутся по более или менее прямой траектории, но и вращаются вокруг своей оси. Это вращение создает небольшое намагничивание, названное тем же термином. Электроны превращаются в компасы, которые, как требует квантовая механика, в зависимости от внешнего намагничивания ориентируются на север или на юг, но не на запад или восток.

Спин вводит дополнительную возможность управления электронами и открывает новые перспективы. Информацию содержит не только заряд: посредником становится спин. Электроника меняет лицо и становится спинтроникой. С многочисленными преимуществами.

Спинтроника предохраняет от утечек. Очень трудно удерживать электроны в плену электрического конденсатора. Намагничивание не столь летуче. И не нужна энергия для его поддержания. Есть выигрыш в скорости. Электронам трудно передвигаться в материале, а спины меняют направление очень быстро. Они выдерживают ударную нагрузку, не теряя севера и сохраняя выбранное направление. Кроме того, технология позволяет дальнейшую миниатюризацию, поскольку электроны сохраняют свои свойства на крайне коротких расстояниях.

Еще одно преимущество: ее скрытность. Она уже везде, хотя никто об этом не знает! До MRAMа спин использовался в головках считывания твердых дисков. Именно им мы обязаны невероятному взрыву способности складирования компьютеров. За десять лет она выросла с нескольких гигабайтов до сотен.

Основой этого прогресса является «гигантское магнито-сопротивление» (MRG), открытое в 1988 году одновременно французом Альбером Фером и немцем Петером Грюнбергом. С 1997 года IBM использует его для увеличения чувствительности считывающих головок дисков, одновременно уменьшая размеры небольших магнитных доменов, хранящих информацию. MRG покорило даже автомобильные датчики (стабилизация, торможение...).

Слегка измененный и улучшенный, тот же принцип лежит в основе MRAM: бутерброд из намагниченных слоев блокирует или пропускает электроны в зависимости от их спинов.

Просто в теории, трудно в практическом воплощении. Слишком велико потребление электроэнергии, а память совершает ошибки! Поэтому Самсунг и IBM прекратили разработки. Но дочернее предприятие Моторолы, Фрискейл, продолжало разрабатывать первое поколение MRAM. Благодаря новым материалам, фирма выпускает на рынок память в 4 гигабайта.

Во Франции идут работы по выпуску второго поколения этой памяти, которая уйдет от проблем энергопотребления и неточности, благодаря новому «волшебному» эффекту, названному «передача спинов». Отпадает необходимость в магнитном поле для поворота намагниченности – этим занимаются сами электроны. Проходя через намагниченный материал, поток электронов с одним и тем же спином, теряет север (или юг) и переворачивает свое намагничивание! Этот эффект уже близок к воплощению. В декабре Сони уже обладала прототипом в 4 гигабайта на основе передачи спина. Эта память требует в 30 меньше энергии, чем первый MRAM.

В спинтронике события следуют одно за другим. Одновременно с развитием появляются новые изделия и делаются новые открытия. Уже удалось повернуть спин вокруг оси (как волчок) со скоростью несколько миллиардов оборотов в секунду. Эта сумасшедшая скорость может превратиться в прозаический генератор волн сверхвысокой частоты малого размера, подходящий для мобильников, которые используют как раз эту гамму частот. Правда, надо еще разобраться в физике этого вращения. Быть может, появится новый эффект.

Кое-какие эффекты уже существуют, но не находят применения, как например, «спин-эффект Холла». В обычном эффекте Холла электроны путешествуют в одной плоскости по квази-прямой линии и отклоняются вправо или влево в зависимости от магнитного поля, перпендикулярного плоскости движения. В случае спинов отклонение зависит от направления спина: те, кто ориентирован «вверх», уходят направо, остальные – налево. И это без приложения внешнего магнитного поля! Описанный в 1971 году эффект наблюдался впервые только в 2004-м калифорнийской командой Дэвида Аушалома.

Ждут еще одно чудо: спин-транзистор, более быстрый и менее жадный до энергии, чем его классический предшественник. Легко на бумаге, трудно в воплощении, ибо надо объединить несовместимые материалы: полупроводники и ферромагнитные материалы.

Первые, звезды электроники и основные компоненты нынешних транзисторов, превосходно управляют электронами и создают квантовый эффект. Вторые, при контролируемом намагничивании, обладают преимуществом сохранять информацию постоянной и перезаписываемой. Комбинации обоих материалов обещают идеальную интеграцию.

Увы, единственный материал, одновременно ферромагнитный и полупроводящий, – сплав арсенида галлия и магния, обладающий эффектом при 100оС ниже нуля! Слишком холодный для использования. Поэтому сейчас ищут желанного объединения двух граней электрона...

Истинная спинтроника начнется тогда, когда полностью откажутся от заряда электрона, а будут использовать только его спин. Тогда не станет проблем с материалами. И никаких проблем с эффектом Джоуля, который нагревает цепи из-за быстрого движения частиц. Классическая электроника уйдет от «считывания» скоростных и экономных расчетов, выполняемых перекидывающимися спинами. В 2005 году уже удалось «отделить» спин от заряда и передавать магнитный сигнал, не трогая с места электронов! Но понадобится не один десяток лет, чтобы спин-волны полностью заменили старые добрые электрические напряжения

Лексика

СПИН. Дополнительный параметр для описания частиц в дополнение, к примеру, их электрического заряда. Это едва заметное намагничивание, получающееся от вращения частицы вокруг своей оси. У электрона он может иметь всего две величины, «верхнюю» или «нижнюю». Спин лежит в основе магнитных свойств некоторых материалов: если больше носителей «верхней» величины, чем носителей «нижней» величины, материал намагничен.

ФЕРРОМАГНЕТИЗМ. Способность некоторых материалов, как железо или никель, намагничиваться под воздействием внешнего магнитного поля. Они сохраняют намагничивание даже после исчезновения поля.

ПОЛУПРОВОДНИК. Такие материалы, например, кремний, проводят электрический ток, как проводники, но малым количеством электронов. Это сближает их с изоляторами. Они широко используются в микроэлектронике, поскольку обеспечивают тонкий контроль электронов.

Электрон о двух лицах

Вращение электрона создает слабое намагничивание: спин. Это классическое изображение не дает точной величины спина, который на самом деле является квантовой характеристикой частиц. В постоянном магнитном поле электрон может принять лишь две противоположных величины, обозначаемых «верхняя» и «нижняя» в зависимости от направления опорного поля.

Магнитное опорное поле

Электрон с верхним спином

Электрон с нижним спином

Спин-вентиль

Специалисты уже давно научились управлять спинами, создав спин- «вентили». В масштабе нескольких десятков нанометров магнитные слои «блокируют» или пропускают электроны в зависимости от их поляризации по отношению к намагничиванию: если точнее, падение напряжения (или сопротивления) менее важно, когда намагничивание параллельно спину, а не антипараллельно. Эта разница, названная гигантским магнито-сопротивлением, используется в считывающих головках твердых дисков.

Поток электронов

Магнитный материал

Слабое сопротивление

Сильное сопротивление

Намагничивание

АБСОЛЮТНАЯ ПАМЯТЬ

MRAM – комплекс ячеек, соединенных линиями тока, для записи и считывания информации. Ячейки – бутерброд из разных материалов. Первый слой – ферромагнитный: он имеет намагниченность в связи с присутствием железа, кобальта или никеля. Намагничивание переменное. Второй слой: изолятор из окиси алюминия или окиси магния. Третий снова ферромагнитный, но здесь намагничивание постоянное. В фазе записи в память, первый слой поворачивается в нужном направлении с помощью магнитного поля, созданного током, проходящим над и под ячейкой. В фазе считывания, если намагничивания двух слоев направлены в разные стороны, ни один электрон не проходит: устройство прочтет «0». Если они параллельны, электроны с одним и тем же спином проходят, устройство прочтет «1».

Наличие изолирующего слоя должно препятствовать прохождению тока. Но электроны все же проходят, благодаря квантовому эффекту, а именно, туннельному эффекту. Сопротивление очень высоко и обеспечивается сильный контраст между сигналами, а значит, и более высокая точность. Этот общий принцип имеет несколько недостатков. «Записывающий» ток создает магнитное поле, воздействующее на соседние ячейки. Чем меньше ячейка, тем сильнее магнитное поле, необходимое для переворачивания намагничивания: значит, нужны сильные электрические токи, несовместимые с желательным снижением потребления современной электроники. Сейчас найдены материалы, снижающие эти эффекты. Французы, к примеру, нагревают ячейку, чтобы сделать ее более чувствительной к магнитному полю, чем соседние.

Запись в память

Магнитное поле

Считывание из памяти (2 раза)

Слой переменного намагничивания

Ячейка MRAM

Изолятор

Слой постоянного намагничивания

Ток

Магнитное поле

Устройство считывания: ток не проходит. Память равна «0».

Устройство считывания: ток проходит. Память равна «1».

РЕГУЛИРУЕМАЯ АНТЕННА

Поток электронов, поляризованных по спину, способен переворачивать намагничивание материала, через который он проходит. Это передача спина. Эффект позволяет «запись» в ячейку MRAM без внешнего магнитного поля. Он может служить также для очень быстрого переворота намагничивания. Эта ячейка переменного намагничивания обладает переменным сопротивлением и значит колеблющимся напряжением. Она становится генератором волн в гамме гигагерц, используемых в мобильниках и некоторых военных радарах. Генератор управляемый. Так, устройство позволяет мобильнику переходить с одной полосы на другую, как это делается в радио при смене станции. Гамма частот расширяется, позволяя увеличить поток и/или количество пользователей.

Передача спина

Поток электронов (2 раза)

Вращение спинов

Вращение намагничивания

Колебание намагничивания

НОВАЯ РАСА ТРАНЗИСТОРОВ

Транзистор – своеобразный электронный прерыватель. Он имеет резервуар (источник), канал, дренаж (приемник) и решетку, расположенную над каналом. В зависимости от напряжения, приложенного к решетке, электроны проходят или не проходят в канал, как вода в оросительный шланг, на который ногой наступает садовник. Спин-транзистор будет быстрее и экономичнее. Намагниченный источник посылает электроны одинакового спина. Если они антипараллельны намагничиванию дренажа, они не пройдут. Напряжение на решетке позволяет перевернуть их спин и пропустить их. Информация спина превращается в электрический сигнал. Но пока еще никому не удалось экспериментально продемонстрировать транзисторный эффект спина.

К началу ^