CC BY
10УДК 004
Технические науки
Ворожейкина Алена Дмитриевна, студент Самарский государственный технический университет,
г. Самара
ПРИМЕНЕНИЕ СПИН-ОРБИТАЛЬНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДЛЯ СОЗДАНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ ЯЧЕЕК ПАМЯТИ
Аннотация: Современные технологии производства полупроводниковых устройств требуют создания более быстродействующих ячеек памяти. В данной статье рассмотрено применение спин-орбитального взаимодействия для создания быстродействующих ячеек памяти. Описаны основные принципы работы таких ячеек, а также преимущества и недостатки данной технологии.
Ключевые слова: спин-орбитальное взаимодействие, ячейки памяти, быстродействие, полупроводники.
Abstract: Modern technologies for the production of semiconductor devices require the creation of faster-acting memory cells. This article discusses the use of spin-orbit interaction to create high-speed memory cells. The basic principles of operation of such cells, as well as the advantages and disadvantages of this technology are described.
Keywords: spin-orbit interaction, memory cells, speed, semiconductors.
Создание быстродействующих ячеек памяти является актуальной проблемой современной электронной промышленности. Для решения этой проблемы научным сообществом была предложена технология, основанная на спин-орбитальном взаимодействии. Спин-орбитальное взаимодействие - это эффект, при котором электронный спин связывается с орбитальным движением электрона внутри атома. Этот эффект может быть использован для создания
более быстродействующих ячеек памяти.
Основная идея заключается в том, что используется спин-орбитальное взаимодействие для изменения направления спина электрона. Это позволяет создавать ячейки памяти с высокой плотностью информации и быстрым доступом к ней. Применение этой технологии в электронике позволяет увеличить плотность информации в полупроводниковых устройствах, а также повысить их быстродействие.
Существует несколько способов создания быстродействующих ячеек памяти с использованием спин-орбитального взаимодействия. Один из них -это создание гетероструктур, в которых на поверхности одного полупроводникового материала находится другой материал, обладающий различной величиной спин-орбитального взаимодействия. Это приводит к возникновению электрического поля, которое может быть использовано для манипулирования спином электрона и записи информации.
Преимущества использования спин-орбитального взаимодействия для создания быстродействующих ячеек памяти включают высокую плотность информации и бы струю доступ к ней, а также потенциальную возможность создания низкопотребляющих устройств. Кроме того, данная технология позволяет обойти некоторые проблемы, связанные с туннельным магнеторезистивным эффектом, который используется в других типах быстродействующих ячеек памяти.
Однако, как и у любой новой технологии, есть и недостатки. Один из них - это сложность производства и интеграции таких ячеек памяти в полупроводниковые устройства, а также высокая стоимость производства. Кроме того, существует проблема сохранения информации в ячейках памяти при высоких температурах и электрических полях.
Дело в том, что транзистор становится все меньше и меньше. И, соответственно, источник и сток расположены очень близко друг к другу, примерно на 20 нм. Это вызывает утечку в канале при протекании остаточного тока и приводит к выделению избыточного тепла. Поэтому многие
современные чипы должны работать ниже своей максимальной скорости и даже регулярно выключаться, чтобы избежать перегрева, что значительно ограничивает их производительность.
Производители чипов пробуют различные методы решения этой проблемы. Один из них, называемый stress silicon, который был представлен Intel в 2004 году, включает атомы в растянутых кристаллах кремния дальше, чем обычно, что смазывает канал носителей заряда через канал и уменьшает выделяемое тепло.
В другом методе, впервые примененном в 2007 году, оксиды металлов используются для борьбы с эффектами туннелирования, квантовым явлением, при котором частицы (например, электроны) с одной стороны непроницаемого барьера появляются с другой стороны, минуя его. Разработка большего количества этого эзотерического метода может позволить производителям микросхем немного дольше уменьшать транзистор, но этого метода будет недостаточно надолго [1].
Ученые из Лаборатории тонкопленочных технологий Школы естественных наук Дальневосточного федерального университета предложили управлять функционированием магнитных наносистем по шероховатости поверхности магнитной пленки, зажатой между слоем тяжелых металлов и покрытием. "В современных электронных изделиях размер транзистора уменьшается. "В то же время общая тенденция развития направлена на получение гладкой бездефектной поверхности атомов", - пояснил Александр Самардак, автор идеи исследования, кандидат физико-математических наук, вице-президент по научной работе. - Однако стремление к идеальному интерфейсу было бы большой ошибкой, потому что многие новые и действительно необходимые физические эффекты выходят за рамки атомной сортировки и полностью плоских поверхностей. С уменьшением функциональных компонентов электронных изделий роль шероховатости поверхности значительно возросла" [2].
Спин-орбитроника активно развивается уже много лет. Он изучает
взаимодействие между электронами и их собственными магнитными полями. Суть в том, что функционированием созданной системы можно управлять с помощью спин-орбитального взаимодействия атомов в составляющих ее наноматериалах. Если один из тяжелых металлов взаимодействует с ультратонкой магнитной пленкой, электронные и магнитные свойства системы могут быть изменены. Это антисимметричное взаимодействие приводит к трансформации ферромагнитного порядка и появлению нетривиальных спиновых текстур, таких как скирмионы и скирмиониумы.
На их основе могут быть созданы компоненты компьютерной памяти, которые будут работать без магнитной головки. Из-за "переворота" спина электрона импульс тока будет переключать биты. Производительность и пропускная способность такого оборудования будут на высоком уровне [3].
Применение спин-орбитального взаимодействия для создания быстродействующих ячеек памяти представлено в таблице 1.
Таблица 1. Спин-орбитального взаимодействия для создания быстродействующих ячеек
памяти
Область применения Примеры продукции/технологий
Компьютеры и серверы Создание быстродействующих компьютерных и серверных памятей
Мобильные устройства Производство быстродействующих памятей для мобильных устройств, таких как смартфоны и планшеты
Интернет вещей Использование быстродействующих ячеек памяти для сбора и передачи данных в реальном времени
Медицинская техника Создание быстродействующих устройств для мониторинга здоровья и диагностики заболеваний
Промышленность Применение быстродействующих ячеек памяти для контроля и управления промышленными процессами
Автомобильная промышленность Создание быстродействующих ячеек памяти для систем безопасности и управления автомобильными процессами
Таким образом, спиновая структура обладает большим потенциалом для
того, чтобы стать основой электроники будущего. Прежде чем приступить к созданию хранилища, предстоит проделать еще много теоретической и практической работы.
В целом, применение спин-орбитального взаимодействия для создания быстродействующих ячеек памяти является перспективной технологией, которая может привести к увеличению быстродействия полупроводниковых устройств и повышению их эффективности. Однако, перед тем как данная технология будет широко применяться в промышленности, необходимо решить ряд технологических и экономических проблем.
Библиографический список:
1. Физики нашли способ записать два бита в одном атоме / N+1. 2020. URL: https:/yandex.ru/turbo/nplus 1 .ru/s/news/2020/09/03/two-bit-per-atom?utm _source=yxnews&utm_medium=desktop (дата обращения: 10.10.2020).
2. Complete reversal of the atomic unquenched orbital moment by a single elec- tron / npj. 2020. URL: https:Awww.nature.com/articles/s41535-020-00262-w (дата обращения: 11.10.2020).
3. Researchers manipulate two bits in one atom / Phys org. 2020. URL: https:Aphys.org/news/2020-09-bits-atom.amp (дата обращения: 11.10.2020).
