大阪大學(xué)的研究人員與國(guó)家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究院(AIST)和格勒諾布爾阿爾卑斯大學(xué)合作,報(bào)告了一種通過(guò)高速加熱來(lái)控制納米尺寸磁體方向的有效技術(shù)。研究人員還發(fā)現(xiàn),納米磁鐵會(huì)放大微波信號(hào)。該小組的成就將有助于降低磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)和人工智能(AI)設(shè)備的功耗。這將使AI設(shè)備更有效地對(duì)其內(nèi)存進(jìn)行讀寫(xiě),從而抑制AI功能(如機(jī)器學(xué)習(xí)和決策)的功耗。這是邁向超級(jí)智能社會(huì)的又一步。
降低功率的信息和通信設(shè)備消耗意味著他們可以繼續(xù)運(yùn)行很長(zhǎng)一段時(shí)間,即使是在發(fā)生災(zāi)害時(shí)。自旋電子學(xué)是一個(gè)廣泛研究的領(lǐng)域,其中利用磁隧道結(jié)(MTJ)開(kāi)發(fā)了MRAM技術(shù)。MRAM使用磁極的方向存儲(chǔ)信息,因此無(wú)需等待電源即可保留內(nèi)存。使用這些技術(shù),研究人員試圖減少AI設(shè)備的能耗。
通過(guò)使用較小的電流和電壓來(lái)控制MTJ的磁對(duì)準(zhǔn),可以降低器件功耗。但是,自旋轉(zhuǎn)移矩MRAM(STT-MRAM)的問(wèn)題在于,當(dāng)其寫(xiě)入速度很高時(shí),其電壓會(huì)使用大量功率迅速增加。
該研究小組發(fā)現(xiàn),通過(guò)控制施加的電壓來(lái)改變MTJ中的磁各向異性,可以使用比STT-MRAM少的能量來(lái)寫(xiě)入信息。為了使該方法可行,有必要增加壓控磁各向異性的幅度。除了尋找合適的材料之外,還尋求其他改變磁各向異性的方法。
研究人員通過(guò)焦耳加熱成功地在具有雙重絕緣層的MTJ中引起了巨大的磁各向異性變化。隨著MTJ的金屬(自由)層中的溫度升高,磁各向異性改變,因此變得可以改變磁極的方向。他們發(fā)現(xiàn),磁各向異性取決于焦耳加熱引起的偏置電壓。這表明焦耳加熱引起的溫度升高改變了磁各向異性。當(dāng)研究人員評(píng)估給定電場(chǎng)的磁各向異性變化的最大值時(shí),熱效應(yīng)的大小為300 fJ / Vm,幾乎與報(bào)告的磁各向異性快速電壓控制的最大值相同( VCMA)使用純電子效果。盡管熱效應(yīng)電流比VCMA大得多,對(duì)于高速應(yīng)用,它比STT更有效。另外,該值將通過(guò)改善MTJ中的加熱系統(tǒng)而增加。
該研究小組還發(fā)現(xiàn),利用巨大的磁各向異性變化,MTJ將微波放大。先前已經(jīng)嘗試使用微波頻率磁場(chǎng)來(lái)進(jìn)行微波放大。然而,通過(guò)常規(guī)方法獲得的微波功率為0.005,并且沒(méi)有放大。該小組在50 mT磁場(chǎng)和0.4 GHz微波頻率下的微波功率反射率達(dá)到1.6。也就是說(shuō),與輸入微波相比,微波放大了大約60%。
第一作者米諾利藤說(shuō),“我們的研究是利用自旋電子學(xué)器件的微波放大的第一份報(bào)告。該研究將打開(kāi)的方式來(lái)開(kāi)發(fā)高性能微波器件。展望未來(lái),我們預(yù)計(jì)我們的技術(shù)將被應(yīng)用到新的微波與設(shè)備高靈敏度和高輸出。這也將有助于MRAM和AI硬件的低功耗技術(shù)。”
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