研究配圖 – 1：結(jié)構(gòu)示意（來自：Nature Electronics）

AI技術(shù)的快速發(fā)展有望改善醫(yī)療保健、交通運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)領(lǐng)域，但其巨大潛力的發(fā)揮要以足夠的算力為基礎(chǔ)，隨著AI數(shù)據(jù)集越來越大，計(jì)算機(jī)需要有更強(qiáng)大的內(nèi)存支撐。理想情況下，支持AI的存儲(chǔ)設(shè)備不僅要有與靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）一樣快的速度，還要有類似于動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）或閃存的存儲(chǔ)容量，更重要的是，它耗能要低。但目前還沒有滿足所有這些需求的存儲(chǔ)技術(shù)，這導(dǎo)致了所謂的“內(nèi)存瓶頸”，嚴(yán)重限制了當(dāng)前AI的性能及應(yīng)用。

圖 2：電流控制的轉(zhuǎn)換測(cè)量。

為此，美國西北大學(xué)和意大利墨西拿大學(xué)的研究人員合作，將目標(biāo)瞄向了反鐵磁材料。反鐵磁材料依靠磁性的有序自旋來完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，所存數(shù)據(jù)也無法被外部磁場(chǎng)擦除。因其快速安全、耗能低，被視為存儲(chǔ)設(shè)備的潛力材料，而如何控制材料內(nèi)部磁序則成為目前的一個(gè)研究難點(diǎn)。

圖 3：微磁模擬。

在新研究中，團(tuán)隊(duì)使用了柱狀反鐵磁材料，這是以前科學(xué)家從未探索過的幾何形狀。研究表明，生長在重金屬層上的、直徑低至800納米的反鐵磁鉑錳（PtMn）柱，通過極低電流后可以在不同的磁態(tài)之間可逆地轉(zhuǎn)換。通過改變寫入電流的振幅，即可實(shí)現(xiàn)多級(jí)存儲(chǔ)特性。

圖 4：非對(duì)稱數(shù)量的寫入脈沖實(shí)驗(yàn)。

研究人員指出，基于反鐵磁鉑錳柱制成的存儲(chǔ)器件僅為現(xiàn)有的基于反鐵磁材料存儲(chǔ)設(shè)備的1/10，而更重要的是，新型器件的制造方法與現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造規(guī)范兼容，這意味著存儲(chǔ)設(shè)備制造商可以輕松采用新技術(shù)，而無需購買新設(shè)備。

圖 5：不同 AFM 膜厚度與金屬材料的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

研究人員指出，新型磁存儲(chǔ)器件很小，耗能很低，有望使反鐵磁存儲(chǔ)器走向?qū)嶋H應(yīng)用，并幫助解決AI的“內(nèi)存瓶頸”問題。目前，他們正努力尋求進(jìn)一步縮小設(shè)備尺寸，改善數(shù)據(jù)寫入耗能的方法，以盡快將新技術(shù)投入實(shí)際應(yīng)用。

圖 6：納米級(jí)設(shè)備上的測(cè)量。

總編輯圈點(diǎn)

內(nèi)存一直是計(jì)算機(jī)增強(qiáng)實(shí)力的瓶頸，因?yàn)閮?nèi)存要求讀寫速度快，又要穩(wěn)定。近幾十年，我們一直是用半導(dǎo)體造內(nèi)存，磁效應(yīng)體用于讀取速度要求不高的硬盤。如果造出“磁內(nèi)存”，將大大拓展計(jì)算機(jī)的“腦容量”和“智力”。這一切以材料科學(xué)的進(jìn)步為前提，產(chǎn)業(yè)先進(jìn)離不開基礎(chǔ)科研投入。

科技日?qǐng)?bào)華盛頓2月10日電 （記者:劉海英）

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