所研究器件之一的显微镜图像，由两个相同尺寸的十字组成，其中一个具有IrMn3柱，另一个仅由Pt组成。学分:西北大学和墨西拿大学来自西北工程大学和意大利墨西拿大学的一个研究团队开发了一种新的磁存储设备，这可能会带来更强大的人工智能系统。这种由反铁磁材料组成的存储技术不受外部磁场的影响，有朝一日可能会改善各种计算系统，包括人工智能硬件、加密货币挖掘和太空探索计划。一篇概述这项工作的论文，题为“通过差分电压测量观察非共线反铁磁IrMn3中的电流感应开关”，发表在6月22日的《自然通讯》杂志上。该研究由麦考密克工程学院电气和计算机工程副教授Pedram Khalili领导。该团队包括共同第一作者塞夫登乌尔·阿尔帕奇和维克多·洛佩斯-多明戈斯，他们都是哈利利实验室的成员，以及与哈利利共同领导这项研究的梅西纳大学电气工程副教授乔瓦尼·菲诺奇奥。
西北工程大学的其他团队成员包括电气和计算机工程教授马修·格雷森和材料科学与工程教授沃尔特·墨菲的马克·赫萨姆。
从Siri这样的数字语音识别平台到医疗保健中的医学图像处理，再到网飞这样的交互式内容平台，人工智能应用程序都在使用越来越大的数据集来执行，这使得当今现有的内存硬件技术效率低下且不可持续。
基于磁性材料的存储器已经成为应对这一挑战的最佳解决方案。它们天生速度快，耐久性高，在重复的写入周期中不容易磨损。在过去的十年中，半导体行业投入巨资开发磁性随机存取存储器(MRAM)来满足这一需求。
然而，当前版本的MRAM基于铁和钴等铁磁材料，无法满足高性能人工智能应用的需求。为了快速运行，MRAM需要大的晶体管，使其无法实现高密度并降低其耐用性。它也不能缩小到更小的尺寸，从而提高密度，因为由铁磁材料制成的许多比特表现出磁场相互作用，如果它们彼此靠得太近，就会妨碍它们可靠地工作。
进入反铁磁(AFM)，这是一类比FM材料具有固有更快动力学且没有宏观磁极的材料，这允许AFM材料避免不想要的磁相互作用。这一特性，加上原子力显微镜在非常小的尺寸下使用的能力，意味着基于原子力显微镜的存储器不能被外部磁场擦除——这是一个主要的安全优势。
“反铁磁材料可以解决铁磁MRAM的挑战，”哈利利说。“反铁磁体显示出可扩展性、高写入速度和抗外部磁场篡改的潜力，这些都是制造更快设备以支持计算、网络和数据存储行业快速增长的必要组件。”
建立在过去成功的基础上
这项新工作扩展了2020年的一项研究，该研究团队首次展示了在与硅兼容的反铁磁(AFM)存储设备中电子写入信息。该装置由铂锰(PtMn)组成，比以前基于原子力显微镜的装置小得多，并且以创纪录的低电流运行。该器件也是第一个与现有半导体制造实践兼容的原子力显微镜存储器件。
该器件的示意图，显示了其中一个开关实验的电流源和纳伏表(V)连接。。学分:西北大学和墨西拿大学“这是一个很好的里程碑，因为我们证明了想要采用反铁磁MRAM技术的公司不需要新的资本支出，”哈利利说。“然而，我们觉得我们可以做出改进，并解决几个重要的缺点和关于该设备物理特性的未回答问题。”
该团队使用一种新的制造友好的反铁磁材料系统铱锰(IrMn3)，开发了一种新的存储设备，在多方面改进了其前身。
除了能够写入数据之外，研究人员的系统还提供了一种更简单、更可靠的方法，一旦材料被写入，就可以通过电子方式读出其中的信息。对于原子力显微镜材料来说，这是一个挑战，因为原子力显微镜材料的读出信号通常比调频材料小，这使得在某些应用中很难区分原子力显微镜开关和非磁性效应，如电迁移——原子响应高电流的运动。
“一个功能正常的存储设备需要数据的写入和读取都通过电子方式完成，这项新工作同时满足了这两个要求，”哈利利说。
为此，研究人员设计了一种新的器件结构，该结构具有六个电端子，而之前的型号只有四个。这使得研究人员能够将设备的开关读出信号与非磁性信号分开，并测量两个电压之间的差异。这种方法允许团队确认他们的设备在不同的电流和电压下基于原子力显微镜开关工作。
“这为这些设备的底层物理及其运行机制带来了新的清晰性，允许未来进行更可靠的设备开发和优化，”Khalili说。
广泛的应用，从加密到火星
虽然该团队继续完善他们的技术，包括制造更小几何尺寸的存储器件和具有更大读出信号的材料系统，以用于更实际的应用，但哈利利表示，他们的工作最终可以应用于高性能计算中使用内存的任何地方。
例如，加密货币可以受益于更强大、更高密度的内存。目前，密码货币挖掘经常被有限的内存带宽所阻碍，这大大增加了处理所需的时间和精力。这导致采矿既耗能又缓慢。一个更高密度的存储器可以嵌入在同一个芯片上进行挖掘，这可能有助于克服这些挑战。
另一个机会是太空旅行。许多当前的空间系统，像火星上使用的火星车，需要强大的计算系统来自主操作大量的视觉、导航和决策。着陆点附近缺乏导航工具，如全球定位系统卫星，加剧了这一挑战。由具有更大带宽的更强大的存储设备支持的升级系统可以加快这一过程。磁性存储器，包括基于原子力显微镜的设备，固有地抵抗空间中存在的电离辐射，使得它们非常适合于可靠性和辐射硬度是基本要求的空间应用。
Khalili说:“虽然应用程序差异很大，但它们背后的底层硬件和存储芯片本质上是相同的。“我们的技术是通用的，可以应用于当今高性能计算系统中使用内存的任何地方。”
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