Ученые из Московского физико-технического института совместно с коллегами из Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН и Международной ассоциированной лаборатории LIA LICS продемонстрировали работу нового типа памяти для электронных устройств. Соответствующая статья была опубликована в Applied Physics Letters, кратко о работе сообщает пресс-релиз МФТИ. Переход к новому типу памяти может существенно сократить энергопотребление, а также позволит мгновенно запускать устройства на его основе.
Одним из главных элементов любого компьютера или смартфона является оперативная память – RAM (random access memory). Самая популярная из них – динамическая полупроводниковая RAM – использует очень простой механизм. Ячейка памяти состоит из транзистора, открывающего и закрывающего доступ к конденсатору. Заряд конденсатора является носителем информации, представленной бинарным кодом: заряжен – 1, разряжен – 0.
«Индустрия RAM сегодня очень сильно развита, скорости модулей становятся все быстрее, однако есть существенный недостаток, который ввиду конструкции современной памяти не удастся преодолеть, – низкая энергоэффективность. Мы в своей работе демонстрируем магнито-электрическую ячейку памяти. Она позволит снизить затраты энергии на запись и чтение в десятки тысяч раз», – говорит Сергей Никитов, руководитель исследования, заведующий специализацией кафедры твердотельной электроники, радиофизики и прикладных информационных технологий МФТИ, член-корреспондент РАН, директор ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН.
Ячейка магнито-электрической памяти (MELRAM) состоит из двух элементов с особыми свойствами. Первый – это пьезоэлектрическая подложка. Пьезоэлектрики деформируются, если к ним приложить напряжение, и наоборот – создают напряжение, если их деформировать. Второй элемент – слоистая структура, которая обладает сильной магнитоупругостью, то есть уже магнитные свойства меняются вместе с деформацией. В силу анизотропии слоистой структуры – ее разного строения по осям – намагниченность может иметь два направления, которым и ставят в соответствие логические единицу и ноль. Ячейки памяти MELRAM способны сохранять свое состояние, в отличие от ячеек динамической RAM, значения в которой надо постоянно обновлять и которые теряются при отключении от сети.
Антон Чурбанов, аспирант факультета физической и квантовой электроники МФТИ, рассказывает: «Мы создали образец размером около миллиметра и продемонстрировали его работу. Важно отметить, что на основе использованных структур можно создавать и нанометровые ячейки, сходные по размерам с теми, что используются в обычной RAM».
Особое место в исследовании занимал механизм считывания данных: в ранее демонстрировавшихся ячейках MELRAM использовались высокочувствительные датчики магнитных полей, которые довольно сложно было бы масштабировать до малых размеров. Однако выяснилось, что считывать информацию можно и без этих сложных приборов. Когда к ячейке прикладывается напряжение, пьезоэлектрическая подложка деформируется, и, в зависимости от характера деформации, намагниченность меняет направление – происходит запись информации. Однако если направление магнитного поля изменяется, то возникает некоторое дополнительное напряжение в образце, которое можно зарегистрировать, тем самым узнав состояние. Так как при считывании может измениться направление намагниченности, впоследствии необходимо перезаписать считанное значение в эту ячейку заново.
По мнению авторов работы, при переходе к маленьким размерам работоспособность предложенного ими решения никак не ухудшится, а значит, можно утверждать, что у MELRAM хорошие перспективы в области вычислительной техники с жесткими требованиями к энергопотреблению.