Cientistas da Universidade de Tóquio, em conjunto com colegas do Centro RIKEN CEMS, apresentaram um novo tipo de elemento de memória energeticamente eficiente baseado em fenômenos da mecânica quântica. A comutação de estado do elemento depende da transferência do momento angular de spin-órbita do elétron, em vez do fluxo usual de elétrons (corrente elétrica), permitindo que a memória opere mais rapidamente, com consumo de energia desprezível e praticamente nenhum desgaste.
Fonte da imagem: Universidade de Tóquio
Algo semelhante acontece com a memória RAM magnetoresistiva. Além disso, protótipos de STT-MRAM (MRAM de Torque de Transferência de Spin), baseados no mesmo efeito de transferência de momento spin-órbita do elétron, já existem há algum tempo. Mas cientistas japoneses afirmam ter ido ainda mais longe e selecionado materiais que operam literalmente com quanta de energia. Isso elimina virtualmente o fluxo normal de corrente e as colisões aleatórias de elétrons com átomos da rede cristalina, que levam à dissipação de calor parasita — um problema global na eletrônica moderna.
Esse material milagroso revelou-se o antiferromagneto estanido trimanganês (Mn3Sn, manganês mais estanho). Trata-se de um antiferromagneto não colinear. Isso significa que os átomos de manganês na liga estão dispostos em uma rede especial “kagome”, e seus momentos magnéticos estão orientados a 120° uns em relação aos outros (como mostrado na figura). Além disso, ao contrário dos antiferromagnetos convencionais, o Mn3Sn exibe um efeito Hall anômalo gigante — ou seja, comporta-se como um ferromagneto, produzindo uma forte resposta direcional à corrente elétrica, mesmo que sua magnetização total seja quase zero. Por essas razões, o material responde de forma rápida e intensa ao momento de spin-órbita dos elétrons — não são necessárias correntes significativas para alcançar o efeito de comutação da célula de um estado magnético para outro.
O protótipo de interruptor magnético dos cientistas é capaz de alterar seu estado lógico em apenas 40 picossegundos, o que é aproximadamente 25 vezes mais rápido do que os melhores elementos SRAM e DRAM comerciais modernos, que operam na faixa de nanossegundos.A principal característica do desenvolvimento é a combinação de velocidade recorde e consumo de energia extremamente baixo, o que é especialmente importante para futuros centros de dados e aceleradores de IA especializados, onde a dissipação de calor é a principal limitação para o aumento de desempenho. Pulsos de controle muito curtos (40 ps) simplesmente impedem o superaquecimento do elemento e o desperdício de energia.
Os pesquisadores também demonstraram alta estabilidade dos ciclos de comutação do elemento, o que é crucial para a memória não volátil de próxima geração. O número de ciclos de comutação alcançado chega a 10¹², algo inatingível para a memória não volátil atual.
Mas isso não é tudo. Um avanço separado no projeto envolve a integração de tecnologias fotônicas ao elemento. Os cientistas demonstraram que a comutação é possível não apenas com um sinal elétrico, mas também com fotocorrentes de 60 picossegundos geradas por um laser na faixa padrão de telecomunicações (aproximadamente 1550 nm) e um conversor fotoelétrico. Essencialmente, trata-se de uma demonstração do conceito de uma interface direta entre canais de transmissão de dados ópticos e memória magnética — sem a necessidade de lógica CMOS volumosa. Isso é especialmente importante para centros de dados: os cabos de fibra óptica modernos já operam nessa faixa de comprimento de onda, o que significa que tais elementos poderiam potencialmente formar a base para memórias optospintrônicas ultrarrápidas conectadas diretamente aos canais de comunicação entre servidores.
A importância prática deste trabalho vai muito além do escopo de um experimento de laboratório. Se a tecnologia for ampliada para circuitos integrados, ela irá…Essa tecnologia pode formar a base de uma nova classe de arquiteturas de computação — processadores não voláteis com troca de estado quase instantânea e consumo mínimo de energia. Isso é especialmente relevante para inteligência artificial, computação de borda e computação em exaescala, onde os custos de refrigeração já são comparáveis aos próprios custos computacionais. Essencialmente, pesquisadores japoneses aproximaram a criação de uma memória que combina as vantagens de velocidade da DRAM com a natureza não volátil da memória flash — uma combinação que a indústria tenta concretizar há mais de duas décadas.