Idzie pamięć szybsza niż RAM i trwalsza niż flash. Naukowcy pokonali barierę

Międzynarodowy zespół badaczy z Tajwanu i Stanów Zjednoczonych dokonał przełomu, który może radykalnie zmienić rynek pamięci. Dzięki połączeniu wiedzy z zakresu inżynierii materiałowej, mikroelektroniki i procesów produkcyjnych naukowcom udało się rozwiązać jeden z najtrudniejszych problemów, jakie od lat blokowały komercjalizację technologii SOT-MRAM (Spin-Orbit Torque Magnetic Random Access Memory).

Ich odkrycie, stabilizacja tzw. β-fazy wolframu (β-W), stanowi brakujące ogniwo, które może pozwolić na masową produkcję ultraszybkiej, nieulotnej pamięci magnetycznej, łączącej zalety RAM-u i pamięci flash.

β-faza wolframu: klucz do przełomu

W technologii SOT-MRAM warstwa wolframu w rzadkiej β-fazie odpowiada za generowanie tzw. momentu spinowo-orbitalnego, który umożliwia ekstremalnie szybkie przełączanie stanów magnetycznych w komórkach pamięci. Problem w tym, że β-W jest wyjątkowo niestabilny w wysokich temperaturach, typowych dla produkcji półprzewodników.

Zespół badawczy opracował nowatorskie rozwiązanie: ultracienkie warstwy kobaltu, które wprowadzono pomiędzy struktury wolframowe.

Zespół badawczy opracował nowatorskie rozwiązanie: ultracienkie warstwy kobaltu, które wprowadzono pomiędzy struktury wolframowe. Dzięki nim β-faza zachowuje stabilność nawet podczas intensywnych procesów termicznych – do 10 godzin w temperaturze 400°C i 30 minut przy 700°C. To znacznie więcej, niż wymagają standardowe linie produkcyjne chipów.

Pierwszy kompatybilny chip SOT-MRAM

W wyniku badań powstał 64-kilobitowy układ SOT-MRAM w pełni zgodny z technologią CMOS, czyli tą samą, na której opierają się współczesne procesory. Nowa pamięć osiąga prędkości przełączania rzędu jednej nanosekundy, co stawia ją na równi z najszybszym SRAM-em, przy jednoczesnym zachowaniu nieulotności danych przez ponad 10 lat.

Wskaźnik Tunnel Magnetoresistance (TMR) wyniósł 146%, co oznacza wyraźny kontrast między stanami logicznymi, a pobór mocy pozostał wyjątkowo niski.

Dziesięciokrotne przyspieszenie i realna alternatywa dla RAM-u

Dotychczasowe prototypy SOT-MRAM działały z opóźnieniem ok. 10 nanosekund. Nowe podejście skraca ten czas dziesięciokrotnie, nie tracąc przy tym trwałości ani stabilności danych. To właśnie ta kombinacja cech, szybkość SRAM-u, energooszczędność DRAM-u i trwałość pamięci flash, sprawia, że technologia ta od lat jest uważana za „świętego Graala” architektury pamięci.

Te korzyści przybliżają technologię do wdrożenia w segmentach, w których szybkość i wydajność operacyjna bezpośrednio wpływają na wydajność: w obszarze szkolenia i wnioskowania sztucznej inteligencji, w urządzeniach mobilnych, które korzystają z wydłużonego czasu pracy baterii i bezpiecznej pamięci lokalnej, a także w środowiskach motoryzacyjnych i centrach danych, gdzie odporność na wysokie temperatury jest kluczowa.

Tajwańsko-amerykańska współpraca, globalne znaczenie

Projekt prowadzony był przez dr Yen-Lin Huanga, adiunkta z National Yang Ming Chiao Tung University, we współpracy z inżynierami TSMC, Industrial Technology Research Institute, National Synchrotron Radiation Research Center, a także z badaczami z Uniwersytetu Stanforda i National Chung Hsing University. Badania sfinansowano dzięki wsparciu tajwańskiej Rady Nauki i Technologii (NSTC), a ich wyniki opublikowano w prestiżowym czasopiśmie Nature Electronics.