Quando a Crocus Nanoelectronics LLC (KNE) — uma joint venture (entre a estatal Rusnano e a empresa francesa Crocus Technology) para a produção de microeletrônica, fundada em 2011 — se aproximou da falência há cerca de um ano, um dos motivos citados para o fracasso da empresa foi a “falta de demanda pela tecnologia MRAM”. As tecnologias de memória de acesso aleatório magnetoresistiva (MRAM) eram de fato percebidas como de ponta e notavelmente promissoras há uma década e meia, mas agora, como você pode ver, elas não têm demanda! Seria interessante entender por que, ao longo de um período tão relativamente longo (para os padrões da microeletrônica), os pesquisadores se tornaram tão pessimistas em relação a essa forma de memória até então alardeada. Afinal, essa memória, como foi inicialmente imaginada, tinha todas as chances de substituir a RAM e o armazenamento simultaneamente — e, a longo prazo, até mesmo permitir cálculos diretamente na MRAM, sem a exaustiva transferência de dados entre a CPU e a RAM. Mas e se nem tudo estiver perdido nessa direção atraente?
O elemento central da MRAM é uma célula de junção de túnel magnético (fonte: Berkeley Labs)
⇡#Como Rotação, Só que Sem Rotação
Há cerca de um século e meio, William Thomson, Lord Kelvin — um dos pilares da termodinâmica, mecânica e eletrodinâmica no século XIX — descobriu o efeito da magnetorresistência. Especificamente, ele descobriu que um condutor colocado em um campo magnético oferece maior resistência à propagação da corrente elétrica se orientado ao longo das linhas de magnetização e menor resistência se orientado transversalmente. Várias décadas depois, a magnetorresistência foi explicada pela interação spin-órbita dos elétrons e começou a ser ativamente explorada, principalmente para criar sensores de campo magnético. No entanto, esse fenômeno revelou-se relativamente insignificante em magnitude; consequentemente, os erros de medição eram significativos — e até a década de 1980, cientistas e engenheiros estavam convencidos de que melhorias significativas na situação não seriam possíveis em um futuro previsível.
No entanto, já no final da década de 1980, dois grupos de pesquisa independentes descobriram simultaneamente o efeito da magnetorresistência gigantesca (GMR). Ele não era exibido por materiais condutores homogêneos (anteriormente utilizados), como ligas de ferro-níquel, mas por estruturas em camadas nas quais placas ferromagnéticas com espessura nanométrica alternavam com camadas comparativamente finas de uma substância não magnética. Como resultado, os primeiros protótipos de estruturas GMR (com 60 pares de camadas) demonstraram uma diminuição da resistência elétrica sob a influência de um campo magnético para metade do valor original — enquanto condutores homogêneos comA magnetorresistência melhorou sua condutividade em apenas alguns pontos percentuais nas mesmas condições. A rigor, resultados tão impressionantes foram alcançados apenas em temperaturas ultrabaixas, apenas alguns graus acima do zero absoluto, mas, com o tempo, os engenheiros conseguiram um poderoso efeito GMR em condições mais práticas.
À esquerda, uma representação esquemática de um pequeno volume de um ferromagneto e de um único átomo de sua estrutura, que se comporta como um pequeno ímã em um campo externo. À direita, o projeto e o princípio de operação de uma célula MRAM com uma junção de túnel magnético (fonte: IEEE Spectrum).
Abordar a física do spin subjacente à memória magnetoresistiva dificilmente vale a pena aqui. No entanto, uma breve atualização se faz necessária, pois é precisamente devido à presença do momento angular mecânico (spin) que qualquer elétron adquire seu próprio momento magnético. Este momento (juntamente com o momento “orbital”, característico de elétrons ligados em um átomo eletricamente neutro) contribui significativamente para a manifestação das propriedades magnéticas nos níveis atômico e material. Se a mecânica clássica é caracterizada por três leis de conservação — energia, momento e momento angular — então, em sistemas quânticos (e a MRAM funciona precisamente devido a efeitos da mecânica quântica), as grandezas físicas correspondentes também são conservadas em condições semelhantes. Especificamente, “correspondente”, não “o mesmo”: como os elétrons (e outros léptons, bem como os fótons, etc.) não têm estrutura, seria incorreto imaginá-los como topos subnanoescalares, giroscópios elementares, cuja rotação livre cria momento angular conservado. No entanto, as partículas elementares têm um spin definido — seu próprio momento angular — que, apesar de ser de natureza quântica, tem sido mensurável com instrumentos macroscópicos há mais de cem anos. Como resultado da medição, o spin de um elétron pode assumir exatamente dois valores: em valor absoluto eA outra é igual à metade da constante de Planck (o chamado quantum de ação), ħ/2, e é fixada com um sinal de mais ou menos; “spin para cima” ou “spin para baixo”.
A direção é indicada entre aspas porque, embora a característica quântica do momento angular intrínseco de uma partícula elementar seja, em alguns aspectos, semelhante à polarização dos feixes de luz (que, em última análise, também surge devido ao fato de os fótons também possuírem spin, apenas um spin inteiro em unidades do quantum de ação), na prática ela se manifesta de forma diferente. A polarização da luz descreve um efeito completamente macroscópico — a anisotropia transversal das ondas de luz: é devido a essa anisotropia que a luz polarizada linearmente não passa por um filtro polarizador linear se os planos de polarização da luz e do filtro forem perpendiculares. Mas se o filtro polarizador for girado, mesmo que ligeiramente, em torno do eixo de propagação da luz, uma certa fração de fótons (determinada, aproximadamente, pelo quadrado do cosseno do ângulo de rotação) passará livremente por ele: a intensidade do fluxo luminoso de saída ficará entre 0 e 1 (em unidades da intensidade original do feixe). O momento angular do próprio elétron sempre assumirá o valor de +ħ/2 ou −ħ/2, sem quaisquer coeficientes adicionais, projetado em qualquer direção — independentemente da orientação do dispositivo de medição.
Esquerda: vetor a no espaço tridimensional, onde o sistema de coordenadas é definido por uma base ortonormal i, j, k. Centro: superior: decomposição dos vetores originais a e b em coordenadas em relação à base i, j, k; inferior: cálculo das coordenadas correspondentes do seu produto vetorial. Direita: Uma representação visual do produto vetorial dos vetores a e b como um vetor ortogonal a ambos, juntamente com seu significado geométrico — a área de um paralelogramo definida pelos vetores originais (fonte: Wikimedia Commons)
A essência é a seguinte: na mecânica clássica, o momento angular de um ponto material L (na literatura científica, letras em negrito denotam vetores, seguindo uma longa tradição que remonta aos dias em que setas acima das letras eram extremamente inconvenientes para exibição impressa) é definido como o produto vetorial do vetor raio r desse ponto em um dado momento (ou seja, um ponteiro para ele, emanando do centro do referencial escolhido) e o próprio momento p (que, no caso clássico, é o produto da massa do ponto material e seu vetor velocidade). Mas aqui está o problema: no nível quântico, de acordo com o princípio da incerteza de Heisenberg, é impossível medir simultaneamente com precisão a coordenada e a velocidade, mas a fórmula para o momento angular inclui precisamente o produto dessas grandezas! Em certo sentido, a situação é salva pelo fato de que o momento angular é calculado como o produto vetorial de um par de vetores — posição r e momento p — no espaço tridimensional. A fórmula correspondente inclui, para cada uma das dimensões do vetor resultante L, os produtos das coordenadas na base escolhida, ou seja, as projeções desses mesmos r e p nas direções da base. E embora todos os trêsAs realidades quânticas proíbem a medição simultânea dos componentes espaciais do vetor momento angular. Um elegante truque matemático nos permite minimizar a incerteza. Acontece que podemos fixar simultaneamente o comprimento L do vetor (ou seja, não suas coordenadas espaciais exatas, mas sua extensão — o mesmo comprimento que, para um elétron, é igual a ħ/2 e não pode ter nenhuma outra magnitude: o spin é uma característica quântica fundamental de uma partícula elementar) e sua projeção em alguma direção arbitrária. Nesse caso, é precisamente isso que determina se o valor do spin é precedido por um sinal de mais ou menos.
⇡#Magnetizeandsave
Portanto, como um elétron é portador de carga elétrica, sua presença natural de momento angular mecânico — esse mesmo spin — (“natural” no sentido de que, no mundo macroscópico, uma carga elétrica envolvida em movimento curvilíneo gera naturalmente um campo magnético) implica que ele também possui um momento magnético de spin. E isso, é claro, também é quantizado, assumindo, com certas reservas, um de dois valores: +μ0 ou −μ0, onde μ0 é outra constante bem conhecida na física quântica, o magneton de Bohr. Ao momento magnético intrínseco de um elétron — devido à presença de spin —, se ele fizer parte de um átomo, é adicionado um componente gerado por seu “movimento orbital ao redor do núcleo”. A rigor, objetos quânticos não têm e não podem ter órbitas, uma vez que em cada ponto de uma trajetória fechada tanto a velocidade quanto as coordenadas do corpo que se move ao longo dela são determinadas com precisão absoluta, que é diretamente determinada pela regra da incerteza de Heisenberg no mundo quântico.É proibido. Além disso, se um elétron estivesse realmente se movendo em uma trajetória circular ao redor de um núcleo atômico, como um planeta ao redor do Sol, ele experimentaria aceleração centrípeta, o que significa que perderia energia — e logo entraria em colapso sobre o núcleo. No entanto, mesmo antes do advento da mecânica quântica, os físicos já haviam aprendido a contornar essa ladeira escorregadia explorando a dualidade onda-partícula (a onda de De Broglie). Como resultado, fórmulas da mecânica clássica permitiram que calculassem uma espécie de análogo do momento magnético orbital, cujo significado físico, mesmo no nível quântico, é uma questão de consideração totalmente separada.
O que é importante para nós neste caso é que, nas nanocamadas ferromagnéticas que compõem uma célula MRAM, tanto os átomos quanto os elétrons livres têm momentos magnéticos comparáveis, o que significa que o efeito da magnetorresistência deve se manifestar em tal meio. Acrescentemos, como referência, que o núcleo atômico também tem seu próprio momento angular mecânico e momento magnético, mas estes são pequenos o suficiente para que, ao estudar as propriedades magnéticas dos átomos — e da matéria composta por eles — possamos nos contentar apenas com os momentos magnéticos dos elétrons: o intrínseco e o “orbital”.
A primeira geração de MRAM é um sistema de retransmissão que grava informações nas células aplicando um campo magnético externo (fonte: Everspin).
Após esta introdução, espero que a descrição de uma célula de memória MRAM clássica, cujo núcleo é formado por um “nanopilar” — uma região de junção de túnel magnético (MTJ) — se torne muito mais significativa. Essa região consiste em um par de camadas ferromagnéticas de espessura nanométrica (níquel, cobalto, ferro, etc.), separadas por um espaçador isolante (não magnético, dielétrico) comparativamente fino. Em uma dessas camadas (a camada de referência), a direção da magnetização é fixa, enquanto na segunda (a camada livre), ela pode ser alterada passando uma corrente de controle pelo barramento correspondente. O componente magnético é claro, mas de onde vem o R (de resistência) na sigla MRAM? O fato é que a informação é lida dessa célula medindo sua resistência. Se as direções de magnetização forem as mesmas em ambas as camadas ferromagnéticas (podemos falar diretamente sobre os momentos magnéticos de átomos individuais da substância que as compõe — eles são poucos e distantes entre si em células tão minúsculas), é muito mais fácil para elétrons livres tunelarem através do dielétrico, transferindo carga — a resistência da seção do circuito em questão diminui (ver interação spin-órbita). Caso contrário, se os momentos magnéticos dos átomos ferromagnéticos em ambos os lados do espaçador forem direcionados em direções opostas (e estamos falando aqui, lembremos, de um efeito quântico; as setas magnéticas convencionais que atravessam esses átomos não demonstram nenhuma opção intermediária entre “paralelo” e “antiparalelo”).(Eles podem), a barreira de potencial entre as camadas aumenta, a energia necessária para o tunelamento de elétrons aumenta e a resistência aumenta. Este é o efeito clássico da magnetorresistência em toda a sua glória: graças a ele, células que passam corrente quase livremente podem ser consideradas como estando em um estado “lógico 0”, enquanto aquelas com alta resistência podem estar em um estado “lógico 1”.
Uma das principais vantagens dos circuitos lógicos que utilizam reversão de spin é que a reversão é extremamente eficiente em termos de energia (em comparação com o armazenamento de carga em um capacitor em miniatura, por exemplo) e ocorre em questão de picossegundos, já que a energia cinética do elétron não se altera durante a operação. O baixo consumo de energia resulta em perdas térmicas modestas — agora está claro por que a memória MRAM foi considerada tão promissora desde o início. No final do século XXI, a Everspin Technologies iniciou a produção em massa de memória magnetorresistiva alternada (Toggle MRAM) usando o projeto 1T1M — em que uma combinação de um transistor e uma célula MTJ é alocada para cada bit armazenado. Uma corrente de controle fluindo através de barramentos mutuamente perpendiculares gera um campo magnético que inverte a direção da magnetização na camada ferromagnética livre (a outra camada, a camada de referência, é feita de um material mais resistente a campos externos e sempre mantém sua posição de magnetização). Esta memória já oferece bom desempenho em comparação com NAND e SRAM: a latência de leitura/gravação é de cerca de 35 ns.A duração declarada do armazenamento de dados na ausência de fornecimento de energia é de até 20 anos, os limites de temperatura operacional permitidos são de -40 a +150 °C, o número declarado de ciclos de reescrita da célula MTJ é ilimitado (mais precisamente, o desgaste físico dos elementos do sistema durante a mudança na orientação do spin é essencialmente ausente, de modo que a “nanocoluna” pode manter suas propriedades indefinidamente na ausência de influências externas).
A célula MRAM STT opera usando o efeito de transferência de spin (fonte: Everspin)
⇡#Depressa!
Ao examinar mais de perto, no entanto, as deficiências da MRAM alternada, causadas pelas especificidades de seu projeto de engenharia, também se tornam aparentes. Cerca de 10 a 15 anos atrás, quando NAND e SRAM eram fabricadas usando padrões de fabricação relativamente maduros (para os padrões atuais), os primeiros exemplos de memória magnetoresistiva eram de fato considerados imperfeitos, mas ainda assim promissores precursores de uma futura tecnologia inovadora. Um pouco mais tarde, no entanto, ficou claro que a memória semicondutora clássica não desistiria de sua posição sem luta. Embora não sem dificuldades, ela pode ser miniaturizada para a escala de 10 nm. Células multinível (MLC, TLC, etc.) oferecem vantagens significativas em termos de densidade de gravação. Além disso, NAND e DRAM são relativamente fáceis de empilhar verticalmente em estruturas 2,5D e 3D. Reduzir a escala de tamanho da MRAM de alternância é significativamente mais difícil: se células 1T1M forem colocadas muito próximas umas das outras, as correntes de controle destinadas a alterar o estado de apenas uma célula provavelmente perturbarão também os estados de suas vizinhas.
Portanto, um pouco mais tarde, no início da década de 2010, foi desenvolvida a memória magnetoresistiva baseada no efeito de transferência de torque de spin — STT-MRAM (o efeito em si foi previsto em 1996). Aqui, o design da célula básica é exatamente o mesmo: uma “nanopilar” de um par de camadas ferromagnéticas separadas por um espaçador; uma com direção de magnetização fixa e a outra com direção variável. No entanto, o fluxo de portadores de carga através desta célula é especial: é formado por portadores “polarizados”, ou seja, aqueles comElétrons com spins codirecionados. Um fluxo normal de elétrons, gerado sem qualquer manipulação no circuito elétrico, é geralmente “despolarizado”, ou seja, igualmente representado por elétrons com “spin para cima” e “spin para baixo”. No entanto, a camada ferromagnética com direção de magnetização fixa na célula STT-MRAM — a camada de referência — é caracterizada por uma espessura aumentada, de modo que o fluxo de elétrons que a atravessa na saída contém muitos cujos spins são naturalmente orientados na direção determinada por essa camada. Uma camada com direção de magnetização variável, uma camada livre, por outro lado, é tão fina que um forte fluxo de elétrons “spin-polarizados” é suficiente para orientar os átomos constituintes na mesma direção. Se for necessário retornar a camada livre ao seu estado original, a corrente através do “nanopilar” com o efeito túnel é simplesmente passada na direção oposta: o fluxo de elétrons “despolarizados” de um condutor convencional desordena a estrutura de spin dos átomos que o compõem, mas não tem efeito sobre a camada de suporte.
Embora praticamente todos os novos tipos de memória não volátil difiram pouco na velocidade de leitura de dados, há uma diferença na velocidade de gravação: a STT-MRAM é meia ordem decimal mais rápida, mas também possui um número menor de ciclos de gravação do que a MRAM de torque (fonte: Everspin).
Atualmente, os chips STT-MRAM dominam o mercado global de MRAM — que analistas da Mordor Intelligence estimam que valerá US$ 3,26 bilhões até 2025 — com sua participação nas vendas globais se aproximando de 80%. Isso se explica pela combinação excepcionalmente bem-sucedida de alta velocidade de gravação de dados e um número impressionante de ciclos de gravação proporcionados por essa tecnologia. Entre 2025 e 2030, prevê-se que o segmento de MRAM experimente um crescimento impressionante, com uma taxa de crescimento anual composta de mais de 60% em termos monetários. Ao final desse período, o mercado global de memória magnetoresistiva deverá exceder seu tamanho atual em mais de dez vezes. No entanto, esse tipo de memória não substituirá os líderes tradicionais neste segmento: entre 2025 e 2030, de acordo com os analistas mencionados, a receita global dos fornecedores de DRAM crescerá de US$ 109 bilhões para US$ 233 bilhões, enquanto a NAND crescerá de US$ 56 bilhões para US$ 73 bilhões. Em outras palavras, apesar de todas as vantagens da MRAM (microchips adequados para uso prático começaram a surgir na década de 1990), ela não está pronta para se tornar uma “bala de prata” para o segmento de memória de computador em um futuro próximo. Há muitas razões objetivas para isso — especialmente convincentes dado o desenvolvimento relativamente bem-sucedido das tecnologias DRAM e NAND. Mesmo que esse desenvolvimento seja em grande parte extensivo — devido ao empacotamento vertical ou às camadas de memória emDurante a criação de microchips monolíticos (3D NAND, 3D DRAM) ou chiplets prontos para uso (a abordagem HBM).
A principal e mais preocupante desvantagem da MRAM no desafiador ambiente macroeconômico atual é seu alto custo. Não muito tempo atrás, quando os chips NAND eram vendidos em grandes quantidades para fabricantes de SSDs e outros clientes comerciais por aproximadamente US$ 25 por GB, o mesmo preço poderia ter comprado 256 MB de DRAM — mas apenas 512 KB de MRAM; e até hoje, a relação de preço permanece praticamente a mesma. A memória magnetoresistiva tem uma vantagem significativa para aplicações específicas — por exemplo, para uso no espaço — porque o impacto da radiação (partículas elementares de alta energia de vários tipos) em sua operação é significativamente menor do que para tipos de memória que armazenam bits transferindo e/ou mantendo uma carga elétrica. Dispositivos de armazenamento corporativo de ponta, como o IBM FlashCore, dependem da MRAM para fazer backup dos dados armazenados no buffer da DRAM em caso de uma queda repentina de energia. Por fim, a memória magnetoresistiva é considerada uma das opções mais preferidas para robótica industrial e veículos autônomos, por razões semelhantes: mesmo em caso de queda total de energia, a máquina deve reter todas as informações que estava processando imediatamente antes do incidente.
Em uma única célula STT-MRAM, o “nanopilar” — a estrutura MTJ real cujo estado de spin determina se um “0” ou “1” lógico é escrito ali — representa uma fração bastante modesta do volume real (fonte: Avalanche Technology).
O ritmo extremamente lento de miniaturização da MRAM também prejudica o preço exorbitante da MRAM. A TSMC, por exemplo, ofereceu aos clientes STT-MRAM fabricada usando padrões de fabricação de 16 nm em 2024, e a Samsung vem nutrindo planos desde 2019 para lançar a produção de 8 nm do mesmo tipo de memória em 2026 — embora não esteja claro o quão viáveis essas boas intenções são hoje. Por enquanto, os processos de fabricação mais comuns para MRAM produzida em massa continuam sendo de 22 nm ou mais — até 90 nm e até 180 nm (sem aspas, porque, neste caso, o nome comercial do processo praticamente coincide com a resolução final dos elementos de circuito semicondutor que ele realmente fornece).
Sem dúvida, quando os pesquisadores fizerem progressos significativos no campo da spintrônica — ou seja, a criação de circuitos lógicos nos quais as operações são realizadas pela transferência do estado de spin das partículas, em vez de cargas elétricas — o desenvolvimento da MRAM receberá um impulso sem precedentes. No entanto, apesar de todas as suas vantagens inegáveis (a chance de finalmente dizer adeus ao “gargalo de von Neumann” e realizar cálculos diretamente na memória!), a spintrônica tem uma desvantagem catastrófica: portas lógicas de spin adequadas para produção em massa ainda não foram criadas. Especificamente, aquelas que sejam funcionalmente eficientes e relativamente baratas — ou, pelo menos, teoricamente, permitam uma transição gradual.Redução de custos à medida que a tecnologia se consolida, como foi o caso dos circuitos integrados de silício. Portanto, talvez não seja um avanço repentino na spintrônica que impulsionará a evolução da MRAM, mas sim, durante o desenvolvimento do próximo tipo de memória magnetoresistiva, uma maneira promissora de organizar válvulas de spin será descoberta repentinamente. O tempo dirá!