Физики нашли способ резко снизить энергозатраты на переключение магнитной памяти без поиска принципиально нового механизма записи. Главный выигрыш дала математика: вместо обычного магнитного импульса исследователи рассчитали форму поля, которая ведет магнитную систему к нужному состоянию по наиболее экономичной траектории. Компьютерное моделирование показало снижение затрат энергии вплоть до нескольких порядков в зависимости от режима и технологии, с которой проводится сравнение.
Команда Эдинбургского университета применила теорию оптимального управления к магнитам Ван-дер-Ваальса Fe₃GaTe₂, Fe₃GeTe₂ и CrSBr. Подобные материалы состоят из очень тонких слоев, слабо связанных между собой, и рассматриваются как перспективная основа для компактных устройств спинтроники .
Запись информации в магнитной памяти требует перевести намагниченность из одного устойчивого состояния в другое. Обычный подход фактически заставляет магнит преодолевать энергетический барьер с помощью достаточно сильного поля. Теория оптимального управления решает задачу иначе: алгоритм рассчитывает, как должны меняться направление и величина магнитного поля во времени, чтобы использовать собственную динамику спинов и минимизировать энергию управляющего импульса.
В моделировании оптимизированные импульсы обеспечивали переключение за время от одной до десяти пикосекунд. Для трех исследованных материалов затраты составляли от 9,7 до 0,94 нДж, тогда как обычные протоколы с магнитным полем требовали от 91,2 до 42,8 нДж. Амплитуду поля в отдельных сценариях удалось уменьшить более чем в десять раз. Например, для CrSBr обычное переключение за 126 пикосекунд требовало пикового поля около одного тесла, а рассчитанный импульс позволял добиться сравнимого результата при 0,11 тесла.
Дополнительный выигрыш появляется при увеличении времени переключения и выборе материалов с небольшим магнитным затуханием. Для модельного магнита размером 5 на 5 нм расчеты дали около девяти фДж при длительности операции шесть наносекунд и около 2,4 фДж при 20 наносекундах. В одном из рассмотренных режимов энергозатраты снизились до 1,91 фДж при длительности 25 наносекунд.
Авторы сопоставили полученные значения с опубликованными показателями SRAM, DRAM, STT-MRAM, SOT-MRAM и других технологий памяти. Для DRAM характерные значения в используемой авторами выборке лежали примерно в диапазоне от 390 до 110 000 фДж при времени операции от 12 до 20 наносекунд. STT-MRAM в субнаносекундном диапазоне обычно требовала десятки или сотни фемтоджоулей, а SOT-MRAM в рассмотренных работах расходовала сотни и тысячи фемтоджоулей. Сравнение показывает потенциальное преимущество метода, но не означает, что расчетный магнитный элемент уже превосходит готовые микросхемы: размеры устройств, способы записи, условия экспериментов и методика подсчета энергии различаются.
Исследователи также применили оптимизацию к скирмиону, компактной устойчивой конфигурации магнитных спинов. Алгоритм нашел путь разрушения скирмиона с выбросом концентрических спиновых волн. В одном из режимов расчетная энергия стирания составила 8,8 фДж за 4,7 наносекунды. Результат показывает, что математический подход подходит не только для простого переворота однородной намагниченности, но и для управления более сложными магнитными структурами.
Отдельный интерес вызывает приближение энергозатрат к фундаментальным ограничениям вычислительной техники. В материалах Эдинбургского университета результаты связывают с движением в сторону предела Ландауэра , который задает минимальное количество тепла, неизбежно выделяемого при необратимом стирании одного бита информации. Расчетные фемтоджоулевые значения пока не означают достижения физического предела, но сокращают разрыв между практическими операциями с памятью и фундаментальной границей.
Работа пока остается вычислительной. Оптимальные траектории в основном рассчитывались без тепловых флуктуаций, а влияние температуры отдельно проверялось для обычного переключения CrSBr при 4 и 10 К. Авторы считают учет температуры внутри самой процедуры оптимизации одним из следующих этапов, поскольку реальная память должна надежно работать при тепловом шуме, разбросе параметров и технологических дефектах.
Для экспериментальной проверки физики предлагают размещать магнитный слой рядом с микрокатушкой, полосковой линией или копланарным волноводом и формировать рассчитанные импульсы генератором произвольной формы либо фотопроводящим переключателем. После однократной оптимизации для конкретного материала и геометрии устройству не потребуется заново решать математическую задачу при записи каждого бита: подход позволяет заранее сформировать небольшой набор повторно используемых импульсов.
Математическая схема не ограничена магнитным полем. Авторы указывают, что аналогичный метод можно перенести на электрические токи, спин-орбитальный и спин-переносный крутящий момент, управление магнитной анизотропией напряжением и сверхкороткие лазерные импульсы. Практическая проверка покажет, удастся ли сохранить расчетный выигрыш после учета генераторов импульсов, тепловых потерь и всей управляющей электроники.