Spintronika a magnetické paměti RAM

Pevné disky v poslední dekádě překvapily rychlostí růstu své kapacity; ta předčila i křivku růstu výkonu procesorů. Jak je to možné? Za dynamikou rozvoje v této oblasti je zrod nové disciplíny – spintroniky, resp. jev tzv. obří magnetorezistence. Giant magnetoresistance – GMR – byla objevena v roce 1988.

GMR
GMR znamená, že malé změny magnetického pole v určitých feromagnetických materiálech vyvolají velké změny elektrického proudu a lze je snadno „číst“. Spintronika, která zvětšila za minulých 12 let kapacitu typicky používaných disků přibližně tisíckrát (2 GB v roce 1997, 2 TB v roce 2009), je zde reprezentována čtecí/zapisovací diskovou hlavou na principu „spinového ventilu“ (patent IBM, výroba od roku 1997). Při dalším rozvoji a globálnějším uplatnění spintroniky by mohla kapacita disků vzrůst až na tisícinásobek současné úrovně. Nejde však jen o disky – principiálně stejná spinově-magnetická technologie aplikovaná na operační paměti, tzv. magnetické RAM - MRAM, přinese novou generaci víceúčelových záznamových médií s velkou hustotou, spojujících výhody disků, rychlých pamětí typu flash i RAM.

Co je to spin
Spintronika (spinová elektronika, resp. magnetoelektronika) je relativně mladý obor, který používá k zápisu, čtení a přenosu informace kromě náboje elektronů také jejich spin. Spin je zvláštní veličina elementární částice, která existuje pouze v kvantovém mikrosvětě – jde o tzv. vlastní moment hybnosti. Někdy se přirovnává k rotaci kuličky kolem své osy. Spin s sebou nese jistý nenulový dipólový magnetický moment, který se projevuje v přítomnosti magnetického pole a je schopen s ním silově či energeticky interagovat.
Spiny částic se vyskytují ze své podstaty jen ve dvou stavech své projekce do libovolného směru – „nahoru“ a „dolů“ (rotace jedním či druhým směrem) a jejich makroskopické shluky mohou reprezentovat logické nuly a jedničky. Avšak spintronika je i jednou z cest ke kvantové nanoelektronice, kdy se spiny jednotlivých částic mohou chovat jako kvantové (pravděpodobnostní) koherentní superpozice obou v principu pozorovatelných stavů najednou, takže mohou paralelně reprezentovat více informace a výpočetního výkonu než nekvantový systém. To je ovšem vyhrazeno jen pro systémy s velmi jemným rozlišením – s paměťovými jednotkami o velikosti cca desítek elementárních spinů (tzv. kvantové tečky) a je to asi hudba vzdálenější budoucnosti (min. 15 až 20 let), stejně jako použitelné kvantové počítače jako takové.

Paměti o hustotě cca bilion bitů na čtvereční palec
Spintronika může mít však brzy velký význam pro oblast vysokokapacitních a rychlých disků, magnetických pamětí typu RAM (MRAM) a citlivých magnetických senzorů. V roce 2002 výzkumníci firmy IBM dokázali vyrobit menší spintronické paměti o hustotě cca bilion bitů na čtvereční palec. Na rozdíl od „prchavých“ polovodičových pamětí typu statických RAM (SRAM) či dynamických RAM (DRAM) jsou však tyto paměti permanentní – udržují svůj obsah i při odpojení zdroje energie. Počítač na nich postavený by zachoval svůj vnitřní stav (data v paměti) i při odpojení. Při znovuzapojení by mohl pokračovat přesně tam, kde přestal, bez bootu.
Informace ve spintronice je zapsána pomocí elektronů se specifickým spinem. K tomu se využívají zvláštní materiály – např. kovy s oblastmi, kde jsou elektrony buď jen se spiny orientovanými nahoru či dolů. Lze také použít feromagnetické materiály se speciálními tenkými vrstvami, kde lze podobné filtrace el. proudu dosáhnout působením magnetického pole. Feromagnetem pak prochází spinově polarizovaný proud. Změny spinové polarizace proudů pak reprezentují operace výpočtu. Výhodou je jejich vyšší rychlost a nižší energetická náročnost (a produkované teplo). Elektrony pak cestují v obvodu a jejich spinový stav, který se po dobu desítek až stovek nanosekund nemění, může být nakonec přečten. „Spinově upravené“ či „magneticky kontrolované“ elektrony se však chovají v kovech (většina dnešních aplikací) rozdílně od polovodičů. Tím lze dostat součástky s různými funkcemi.

Diskové hlavy na bázi „spinových ventilů“
U diskových hlav na bázi „spinových ventilů“ to funguje asi takto: vrstva nemagnetického kovu je vložena mezi dvě vodivé feromagnetické vrstvy. Magnetizace jedné vrstvy je stálá, druhá odpovídá směrem své magnetizace binárnímu záznamu. Jsou-li orientace obou vrstev stejné, součástkou protéká proud elektronů se stejnou orientací spinu. Jsou-li naopak orientace vrstev opačné, cesta všem elektronům je uzavřena. Tento jev je cca několiksetkrát silnější než běžná magnetorezistence, což umožňuje čtení daleko slabších magnetických záznamů, tedy i zhuštění zápisu informace na disku. Podobně lze tento jev GMR využít i pro citlivé senzory magnetického pole.
Paměti MRAM, založené na magneticko-spinově regulovaném tunelovém jevu pro elektrony, vyvíjejí a pokusně zavádějí Stanfordská Univerzita, IBM, Infineon, Motorola, Honeywell, Samsung, Toshiba, NEC aj. MRAM používají k zápisu dat magnetickou hysterezi a zmíněný jev GMR k jejich čtení. Jsou k dispozici pro aplikace v různých součástkách v podstatě již od r. 2006, ale zatím ještě nejsou masově nasazovány a jejich celková kapacita je oproti dnešním RAM zatím ještě velmi malá (řádově MB).

Kvantové tunelování
Další forma MRAM je založena na kombinaci dvou kovových feromagnetických vrstev oddělených tenkou izolační mezivrstvou. Zde se pozoruje tzv. kvantové tunelování – prvek propouští proud jen tehdy, jsou-li magnetické polarizace obou feromagnetických vrstev souhlasné. Tehdy je výsledkem binární 1. Při opačné orientaci proud neprochází – výsledkem je 0. Tato funkce spínače je základem paměťových čipů.

Vyhlídky
Smíšená skupina ze Stanfordu a IBM (SpinAps) vyvíjí i další typy spintronických materiálů a součástek (feromagnetických polovodičů nebo feromagnetů, opatřených vrstvami křemíku), vhodných pro výrobu spinových tranzistorů a pružně rekonfigurovatelných logických obvodů, schopných manipulovat se spinovými proudy. Tak by šlo použít např. jejich magneto-elektrické i optické vlastnosti zároveň a vytvářet hybridní, vysoce integrované a výkonné procesorově-paměťové jednotky. Uvažuje se i o spinově-fotonických součástkách s terahertzovými frekvencemi. Je to otázka v časovém horizontu cca 10 let.
Navíc stále přibývají poznatky o nových jevech a materiálech tohoto typu, takže budoucnost spintroniky bude jistě zajímavá a důležitá.

• Spojit permanenci pamětí Flash s rychlostí SRAM, datovou hustotou DRAM a nízkou cenou hard disků
  
• Nahradit EEPROM, Flash, SRAM, DRAM, vyvinout malé hard disky s velkou kapacitou a rychlou výměnou dat

• Instantně pracující rychlá malá PC, nepotřebující boot, větráky ani točící se disky.
  
• PDA s dlouhou výdrží (s malou spotřebou, energie je zde potřeba jen ke změnám informačního stavu, nikoli k jeho neustálému obnovování jako dnes)
  
• Mnohofunkční vysokokapacitní paměťové karty

Bližší informace na:
Český přehled:
http://fyzsem.fjfi.cvut.cz/2007-2008/Leto08/proc/nanot.pdf
http://scienceworld.cz/fyzika/spintronika-pod-lupou-1-spinove-ventily-a-pameti-mram-2373
http://scienceworld.cz/fyzika/spintronika-pod-lupou-2-mikroprocesory-a-kvantove-pocitani-2367

Scientific American o Spintronice:
http://www.sciam.com/article.cfm?id=spintronics

SPIN ELECTRONICS - Final report:
http://www.wtec.org/spin/report/WTEC_Spin_screen.pdf

Magnetoelectronics and Spintronics (IBM):
http://www.almaden.ibm.com/spinaps

Komunita a portál:
http://www.spintronics-info.com

Simplified Spintronics:
http://www.faculty.rsu.edu/~clayton/carman/paper.htm

Wiki článek:
http://en.wikipedia.org/wiki/Spintronics