新技术可以降低MRAM和人工智能硬件的能耗

大阪大学的研究人员与国家高级工业科学技术研究所(AIST)和格勒诺布尔阿尔卑斯大学合作，报道了一种通过高速加热控制纳米磁体方向的有效技术。研究人员还发现，纳米磁铁可以放大微波信号。该小组的成果将有助于降低MRAM和人工智能设备的功耗。这将使AI设备能够更有效地读写其内存，从而抑制AI功能(如机器学习和决策)的功耗。这是迈向超智能社会的又一步。

降低信息和通信设备的功耗意味着它们可以长时间持续运行，即使在发生灾难时也是如此。自旋电子学是一个广泛的研究领域，其中MRAM技术是利用磁隧道结(MTJ)发展起来的。MRAM利用磁极的方向来存储信息，所以不用等待电源就可以保留内存。利用这些技术，研究人员试图降低人工智能设备的能耗。

通过使用较小的电流和电压来控制MTJ的磁对准，可以降低器件功耗。然而，自旋转移矩MRAM(STT-MRAM)的问题是，当它的写入速度高时，它的电压会随着大量的功率而迅速增加。

研究小组发现，通过控制施加的电压来改变MTJ的磁各向异性，可以用比STT-MRAM更少的能量写入信息。为了使这种方法可行，有必要增加压控磁各向异性的幅度。除了寻找合适的材料，我们还寻求改变磁各向异性的其他方法。

研究人员已经成功地通过焦耳加热在具有双绝缘层的MTJ中引起巨大的磁各向异性变化。随着MTJ的金属(自由)层中的温度增加，磁各向异性改变，因此改变磁极的方向变得可能。他们发现磁各向异性取决于焦耳加热引起的偏置电压。这表明焦耳加热引起的温升改变了磁各向异性。当研究人员评估给定电场的磁各向异性变化的最大值时，热效应的大小为300 fJ/Vm，这几乎与所报道的磁各向异性快速电压控制(VCMA)的最大值相同。虽然热效应电流比VCMA大得多，但在高速应用中比STT更有效。此外，通过改善MTJ的供暖系统，这一数值将会提高。

研究小组还发现，MTJ利用巨大的磁各向异性变化放大微波。先前已经尝试使用微波频率磁场进行微波放大。然而，通过常规方法获得的微波功率为0.005，并且没有放大。在50 mT磁场和0.4 GHz微波频率下，该组微波功率反射率达到1.6。也就是说，与输入微波相比，微波被放大了大约60%。

第一作者Minoli Teng说：“我们的研究是第一份关于使用自旋电子器件进行微波放大的报告。这项研究将为开发高性能微波器件开辟道路。展望未来，我们预计我们的技术将应用于高灵敏度和高输出的新型微波和设备。这也将有助于MRAM的低功耗技术和AI硬件。”