基于反铁磁的存储设备可以支持计算应用并回答基本问题

西北工程学院和墨西拿大学的一个研究小组开发了一种新的磁存储设备，可以带来更快、更强大的人工智能 (AI) 系统。这种存储技术由反铁磁材料组成，不受外部磁场的影响，有朝一日可以改进各种计算系统，包括人工智能硬件、加密货币挖掘和太空探索程序。

6 月 22 日在《自然通讯》杂志上发表了一篇概述这项工作的论文，题为“通过差分电压测量对非共线反铁磁 IrMn3 中的电流感应开关进行观察” 。麦考密克工程学院电气和计算机工程副教授 Pedram Khalili 领导了这项研究。该团队包括联合第一作者 Sevdenur Arpaci 和 Victor Lopez-Dominguez，他们都是 Khalili 实验室的成员，以及墨西拿大学电气工程副教授 Giovanni Finocchio，他们与 Khalili 共同领导了这项研究。

Northwestern Engineering 的其他团队成员包括电气和计算机工程教授 Matthew Grayson 和材料科学与工程的 Walter P. Murphy 教授 Mark Hersam。

AI 应用程序，从 Siri 等数字语音识别平台到医疗保健中的医学图像处理，再到 Netflix 等交互式内容平台，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成为应对这一挑战的最佳解决方案。它们天生速度快且耐用性高——它们在重复写入周期中不容易磨损。在过去的十年中，半导体行业已投入巨资开发磁性随机存取存储器 (MRAM) 以响应这一需求。

然而，当前版本的 MRAM 建立在铁和钴等铁磁 (FM) 材料上，无法满足高性能 AI 应用程序的需求。为了快速运行，MRAM 需要大型晶体管，从而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——因此密度更高——因为由铁磁材料制成的存储位​​会表现出磁场相互作用，如果它们彼此放置得太近，它们就会阻止它们可靠地运行。

进入反铁磁体 (AFM)，这是一类具有比 FM 材料固有的更快动力学特性且没有宏观磁极的材料，它允许 AFM 材料避免不需要的磁相互作用。这一特性，加上 AFM 能够在非常小的尺寸下使用，意味着无法用外部磁场擦除基于 AFM 的存储器——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，”Khalili 说。“反铁磁体显示出可扩展性、高写入速度和不受外部磁场干扰的潜力——所有必要的组件都是制造更快设备以支持计算、网络和数据存储行业的快速增长的必要组件。”

以过去的成功为基础

这项新工作扩展了 2020 年的一项研究，研究团队首次展示了在硅兼容的反铁磁 (AFM)存储设备中信息的电写入。该设备由铂锰 (PtMn) 组成，比以前基于 AFM 的设备小得多，并且以创纪录的低电流运行。该设备也是第一个与现有半导体制造实践兼容的 AFM 存储设备。

“这是一个关键的里程碑，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，”Khalili 说。“但是，我们认为我们可以进行改进并解决有关设备物理的几个重要缺陷和悬而未决的问题。”

该团队使用一种新的制造友好型反铁磁材料系统，称为铱锰 (IrMn3)，开发了一种新的存储设备，在多个方面对其前身进行了改进。

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，可以在材料写入后以电方式读出其中的信息。这对 AFM 材料来说是一个挑战，因为 AFM 材料的读出信号通常比 FM 对应物要小，这使得在某些应用中很难将 AFM 切换与非磁性效应区分开来，例如电迁移——原子响应高电流的运动。

Khalili 说：“一个功能正常的存储设备需要通过电来完成数据的写入和读取，而这项新工作同时满足了这两个要求。”

为此，研究人员设计了一种具有六个电气端子的新设备结构，而之前的模型中只有四个。这使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。这种方法使团队能够确认他们的设备基于 AFM 开关在各种电流和电压下运行。

“这为这些设备的基础物理及其操作机制带来了新的清晰度，允许在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

虽然该团队继续改进他们的技术，包括制造更小的几何形状的存储设备和具有更大读出信号的材料系统，以用于更实际的应用，但 Khalili 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，加密货币可以从更强大、更高密度的内存中受益。目前，加密货币挖掘通常受到有限的内存带宽的阻碍，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。可以嵌入在同一芯片上进行挖矿的更高密度存储器可以帮助克服这些挑战。

另一个机会是太空旅行。许多当前的太空系统，比如在火星上使用的漫游车，需要强大的计算系统来自主操作大量的视觉、导航和决策。由于在着陆点附近缺乏导航工具(如 GPS 卫星)，这一挑战变得更加复杂。由具有更大带宽的更强大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 AFM 的设备，对空间中存在的电离辐射具有固有的抵抗力，使其非常适合可靠性和辐射硬度为基本要求的空间应用。

“虽然应用程序千差万别，但它们背后的底层硬件和内存芯片基本相同，”Khalili 说。“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。”