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编译/文龙

美国和意大利的一个研究小组开发了一种新的基于反铁磁体的存储设备，有望带来更快、更强大的 AI 系统。这种存储技术由反铁磁性材料组成，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应用。

论文于 6 月 22 日以「Observation of current-induced switching in non-collinear antiferromagnetic IrMn3 by differential voltage measurements」为题发表在《自然·通讯》（Nature Communications）杂志上。

从 Siri 等数字语音识别平台到医疗卫生领域中的医学图像处理，AI 应用所使用的数据集越来越大，使得当今现有的内存硬件技术效率低下且不可持续。由于基于磁性材料的存储器天生速度快且耐用性高，因此，在过去的十年中，半导体行业投入了巨资开发磁性随机存取存储器 (MRAM) 。

然而，当前版本的 MRAM 建立在铁和钴等铁磁 (FM) 性材料上，可能会受到外部磁场的影响。相邻铁磁体之间也需要有足够的空间，否则会产生相互影响，这又限制了 MRAM 以较低的成本扩展到更高密度的能力。

随着反铁磁体（AFM）研究的兴起，研究人员提出了一种基于差分测量的新实验协议，首次展示了在硅兼容的反铁磁存储设备中以电的方式实现信息的写入和读取。

该器件由两个尺寸相同的十字组成，其中一个为 IrMn3 柱，另一个仅由 Pt 组成，比先前基于反铁磁体的磁存储器的体积小得多，并以创纪录的低电流运行。同时，该设备也是第一个与现有半导体制造实践兼容的基于反铁磁体的磁存储器。

用于差分电压测量的双交叉装置的设计。（来源：论文）

该研究小组此前于 2020 年就曾发表过这方面的论文，这项新工作是他们在这一问题上的最新进展，突破了他们先前的研究。

一个功能正常的存储设备需要通过电流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，研究人员在先前四个电极结构的基础上设计出一种具有六个电极的新结构，使得设备开关能够将读出信号与非磁性信号分开，并测量两个电压之间的差异。

反铁磁体的优势

与传统的铁磁体不同，反铁磁体中的电子自旋并非全部指向同一方向，相邻原子上的电子指向彼此相反的方向，从而有效地相互抵消。因此，反铁磁体虽然整体上没有磁场，但是仍然可以用内部电子自旋的整体方向编码信息。

铁磁性和反铁磁性电子自旋状态所对应的信息编码。（来源：网络）

理论上，反铁磁体可以解决铁磁 MRAM 应用上的挑战。反铁磁体既不会相互影响，也不会受到外部磁场的干扰。而且，反铁磁体的自旋速度更快，可以以太赫兹频率在皮秒内切换 0/1 状态，比铁磁 MRAM 的速度提高了至少三个数量级。

研究人员强调说：「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，这些都是为支持计算、网络和数据存储行业的快速增长而制造更快的设备的必需因素。」

下一代通用信息存储设备

「虽然系统千差万别，但它们背后的底层硬件和内存芯片基本相同。」研究人员表示，他们的技术是通用的，最终可应用于的高性能计算中任何使用内存的地方。

首先，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，导致采矿既耗能又缓慢。可以在进行挖矿的芯片上嵌入更高密度的存储器来帮助克服这些挑战。

另一个潜在应用是太空探索。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处理、导航和决策，而由具有更大内存带宽的存储设备支持的升级系统可以加快这一过程。此外，磁性存储器对太空中存在的电离辐射具有天然的抵抗力，非常适合在太空中应用。

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。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-24237-y

参考内容：

https://www.eurekalert.org/news-releases/736192

https://mp.weixin.qq.com/s/6wN39BkGPMk9NJ65ZWm-qw