Создан рабочий образец ячейки нового типа компьютерной памяти на основе магнитоэлектрического эффекта.

Ни один компьютер или смартфон не обходится без так называемой оперативной памяти, в которой размещаются выполняемая программа и используемые ею данные. Слово «оперативная» в данном случае говорит, о том, что работа с ней происходит быстро – оперативно. По-английски ее называют RAM (random access memory – память произвольного доступа).

Устройство разработанной ячейки памяти MELRAM.

Схема ячейки обычной оперативной памяти DRAM.

Современные технологии позволяют создавать микросхемы RAM, обладающие большой скоростью и объемом. Однако у них у всех имеется существенный недостаток – большое потребление энергии, которая необходима для хранения информации. Наверное, все знают, что при отключении электропитания информация в оперативной памяти компьютера теряется. Из-за особенностей конструкции современных модулей RAM этот недостаток невозможно преодолеть.

Физики из МФТИ и ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН совместно со специалистами Международной ассоциированной лаборатории, занимающейся критическими и сверхкритическими явлениями в электронике, акустике и жидкостной технике (LIA LICS) разработали и продемонстрировали работоспособность магнито-электрической ячейки памяти. По их оценкам она позволит снизить затраты энергии на запись и чтение информации в десятки тысяч раз. Рассказывающая об этом статья опубликована в журнале Applied Physics Letters.
Ячейка магнитоэлектрической памяти (MELRAM) состоит из двух элементов с особыми свойствами. Первый — пьезоэлектрическая подложка. Пьезоэлектрики – это материалы, которые деформируются, если к ним приложить напряжение, и наоборот — генерируют напряжение, если их деформировать.

Второй элемент — слоистая структура, которая обладает сильной магнитоупругостью, то есть ее намагниченность сильно меняется при деформации. Благодаря особенностям конструкции этой слоистой структуры она может иметь два перпендикулярных направления намагниченности, которым ставят в соответствие логические единицу и ноль.

Когда к ячейке прикладывается напряжение, пьезоэлектрическая подложка деформируется, и в зависимости от характера деформации намагниченность меняет направление — происходит запись информации. Поскольку для сохранения намагниченности не требуются затраты энергии, ячейки памяти MELRAM способны сохранять своё состояние, в отличие от ячеек существующих видов RAM.

Пока исследователи создали образец размером около миллиметра и продемонстрировали его работу. Они отметили, что на основе использованных структур можно создавать и существенно меньшие, нанометровые ячейки, сходные по размерам с теми, что используются в обычной RAM. При этом их работоспособность никак не ухудшится, поэтому у MELRAM хорошие перспективы в области вычислительной техники с жёсткими требованиями к энергопотреблению.

Особое внимание исследователи уделили механизму считывания данных в новой памяти. Дело в том, что в продемонстрированных ячейках MELRAM они использовали высокочувствительные датчики магнитных полей, которые довольно сложно уменьшить до малых размеров. Однако авторы работы выяснили, что считывать информацию можно и без этих сложных приборов.

Как уже было сказано, для записи информации к ячейке прикладывается напряжение, в результате чего намагниченность меняет направление. Но при изменении направления магнитного поля в образце возникает некоторое дополнительное напряжение, которое можно зарегистрировать, тем самым узнав состояние. Правда, при таком считывании может измениться направление намагниченности, поэтому необходимо будет перезаписать считанное значение в эту ячейку заново.

Для сравнения покажем принцип работы самой популярной в настоящее время динамической полупроводниковой оперативной памяти (DRAM). Она использует очень простой механизм. В простейшем случае ячейка памяти состоит из конденсатора, служащего носителем информации (заряжен — 1, разряжен — 0) и транзистора, открывающего и закрывающего доступ к конденсатору (на практике транзисторов-ключей несколько). Поскольку «ключи» не идеальны, конденсатор быстро разряжается. Поэтому его приходится несколько десятков раз в секунду подзаряжать. Кроме того, при чтении конденсатор разряжается и его необходимо заново заряжать, чтобы не потерять информацию. Все это приводит к достаточно большому энергопотреблению.

По материалам МФТИ