从AI、加密货币到火星任务，一种更强大、更稳定的存储设备
作者：贺佳
来源：数据实战派
所研究器件之一的显微镜图像，由两个尺寸相同的十字架组成，其中一个具有 IrMn3 柱，第二个仅由 Pt 组成。（来源：西北大学和墨西拿大学）
美国西北大学和意大利墨西拿大学（University of Messina）的一个联合研究小组开发了一种新型磁存储设备，可引领更快、更强大的人工智能 (AI) 系统。这种由反铁磁性材料组成的存储技术，可不受外部磁场的干扰，进而对包括人工智能硬件、加密货币挖掘和太空探索程序在内各种计算系统性能进行优化。
6 月 22 日，一篇题为 “通过差分电压测量对非共线反铁磁 IrMn3 中的电流感应开关的观察”（ Observation of Current-induced Switching in Non-collinear Antiferromagnetic IrMn3 by Differential Voltage Measurements）的研究，在 Nature Communications 杂志上发表。麦考密克工程学院电气和计算机工程副教授 Pedram Khalili 主持此项研究。
从 Siri 这样的数字语音识别平台到医疗保健领域的医学图像处理，再到 Netflix 这样的交互式内容平台，AI 应用程序所使用的数据变得越来越大，这也致使现有的内存硬件技术效率低下且不可持续。
基于磁性材料的存储器天生速度快且耐用性高（在重复写入周期中不容易磨损），是应对这一挑战的最佳解决方案。在过去的十年中，为满足这一需求，半导体行业投入巨资开发磁性随机存取存储器 (MRAM)。
然而，现有的 MRAM 是建立在铁和钴等铁磁（ferromagnetic，FM）材料上的，这并不能满足高性能 AI 应用程序的需求。为了快速运行，MRAM 需要装配大型晶体管，以防止其密度过高，耐用性降低。
此外，MRAM 的尺寸也不能缩得更小，这同样也会导致其密度过高；并且由于其由铁磁材料制成的存储位会表现出磁场相互作用，如果将他们彼此靠近，则会影响其有效运行。
于是，研究人员将目光投向了反铁磁体（AFM）。这是一类具有比 FM 材料更快动力学特性的材料，且没有宏观磁极，这就使得 AFM 材料能够避免不必要的磁相互作用。有了这一特性，再加上其尺寸可以缩得很小，意味着基于 AFM 的存储器能够不被外部磁场擦除，安全优势明显。
“反铁磁材料可以应对 MRAM 的铁磁性挑战，”Khalili 说，“反铁磁体显示出了可扩展性、高写入速度及不受外部磁场干扰的潜力，这些都是制造更快速设备，以支持计算、网络和数据存储行业的快速增长的必要条件。”
站在 “成功” 的肩膀上
这项新的研究是对其 2020 年一项研究的拓展。当时的研究中，该团队率先演示了硅兼容的反铁磁（AFM）存储器件中信息的电写入。该器件由铂锰（PtMn）组成，比以前基于 AFM 的器件小得多，并且可在创纪录的低电流条件下运行。该器件也是第一个与现有半导体制造实践兼容的 AFM 存储器设备。
器件示意图，显示其中一个开关实验的电流源和纳伏表 (V) 连接。（来源：西北大学和墨西拿大学）
“这是个至关重要键的里程碑。我们证明了想要采用反铁磁 MRAM 技术，公司并不需要新的成本投入，”Khalili 说，“但是，我们觉得，我们还可以再进行改进，并且能解决几个有关器件物理的关键缺点和目前仍未解决的问题。”
该团队采用了一种新的叫做铱锰（IrMn3）的制造友好型反铁磁材料系统，开发了一种新的存储设备，并在多个方面对其此前的成果进行了改进。
除了能够写入数据外，研究人员的系统还提供了一种更简单、更可靠的方法：一旦材料被写入，即可通过电子方式读出其中的信息。这对 AFM 材料来说是个挑战，因为 AFM 材料读出的信号通常比 FM 材料对应的要更小，这使得在某些应用中，很难将 AFM 开关与非磁性效应区分开来，如电迁移（原子对高电流的响应）。
Khalili 说：“一个功能正常的存储器件需要通过电来完成数据的写入和读取，而这项新研究正好可以同时满足了这两个要求。”
为此，研究人员设计了一种新的器件结构。不同于之前的模型中的四个电气端子，这次器件的电气端子增加到了六个，这使得研究人员能够将器件开关读出信号与非磁性信号分开，并可测量两者电压的差异。该方法使研究团队能够确认，其器件是基于 AFM 开关在不同电流和电压下运行的。
“这可以帮助我们更清楚地认识这些器件的基础物理性及其操作机制，进而帮助我们进行未来更可靠的设备开发和优化，”Khalili 说。
广泛应用，从加密货币到火星
虽然该团队还在继续完善其技术以适应实际应用场景，包括制造尺寸更小的存储设备和可读出更大信号的材料系统等，但 Khalili 表示，其研究最终将可走进所有高性能计算中涉及使用内存之处。
例如，加密货币可以从更强大、密度更高的内存中受益。目前，加密货币的挖掘常常受制于有限的内存带宽，大大增加了处理所需的时间和精力，导致 “采矿” 耗能高、进度慢；而将该新器件嵌入同一芯片进行挖矿，则可以有助于克服这些问题。
太空旅行也能让该器件一展身手。
许多当前的太空系统（比如在火星上使用的漫游车），都需要强大的计算系统来进行大量的视觉、导航及自主决策，但由于着陆点附近缺乏 GPS 等导航工具，使得这一问题更加棘手。
而由功能更强大、带宽更宽的内存设备支持的升级系统则可加速解决此问题。含有基于 AFM 器件的磁性存储设备，对空间中存在的电离辐射具有与生俱来的抵抗力，使其非常适合以可靠性和辐射硬度为基本要求的太空应用场景。
“虽然应用场景千差万别，但其背后的底层硬件和内存芯片基本相同，”Khalili 说，“而我们的技术是通用的，当今高性能计算系统中使用内存的任何地方都适用。”
References：
1、https://www.nature.com/articles/s41467-021-24237-/
2、https://techxplore.com/news/2021-06-antiferromagnetic-based-memory-device-bolster-applications.html
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