【儀表網(wǎng) 儀表下游】美國和意大利研究人員10日在《自然·電子》雜志上發(fā)表研究報(bào)告稱，他們開發(fā)出一種基于反鐵磁材料的新型磁存儲(chǔ)器件，其體積很小，耗能也非常低，很可能有助于解決目前人工智能(AI)發(fā)展所遭遇的“內(nèi)存瓶頸”。
 

　　AI技術(shù)的快速發(fā)展有望改善醫(yī)療保健、交通運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)領(lǐng)域，但其巨大潛力的發(fā)揮要以足夠的算力為基礎(chǔ)，隨著AI數(shù)據(jù)集越來越大，計(jì)算機(jī)需要有更強(qiáng)大的內(nèi)存支撐。理想情況下，支持AI的存儲(chǔ)設(shè)備不僅要有與靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)一樣快的速度，還要有類似于動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)或閃存的存儲(chǔ)容量，更重要的是，它耗能要低。但目前還沒有滿足所有這些需求的存儲(chǔ)技術(shù)，這導(dǎo)致了所謂的“內(nèi)存瓶頸”，嚴(yán)重限制了當(dāng)前AI的性能及應(yīng)用。
 

　　為此，美國西北大學(xué)和意大利墨西拿大學(xué)的研究人員合作，將目標(biāo)瞄向了反鐵磁材料。反鐵磁材料依靠磁性的有序自旋來完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，所存數(shù)據(jù)也無法被外部磁場(chǎng)擦除。因其快速安全、耗能低，被視為存儲(chǔ)設(shè)備的潛力材料，而如何控制材料內(nèi)部磁序則成為目前的一個(gè)研究難點(diǎn)。
 

　　磁介質(zhì)以恒定的速度沿一固定方向與一環(huán)形電磁鐵做相切運(yùn)動(dòng)，在磁頭線圈中通入待記錄的信號(hào)電流，磁頭縫隙將會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度受信號(hào)調(diào)制的磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)將磁化分布在介質(zhì)上的磁性材料，產(chǎn)生剩磁。由于介質(zhì)與磁頭的速度保持不變，剩磁沿介質(zhì)運(yùn)動(dòng)方向上的分布直接反應(yīng)了信號(hào)的變化規(guī)律。即記錄磁頭在介質(zhì)中感生并饋人了與信號(hào)電流成比例的剩余磁化強(qiáng)度，信號(hào)電流隨時(shí)間的變化規(guī)律轉(zhuǎn)化成剩余磁化強(qiáng)度隨距離的變化而被存儲(chǔ)下來了。這種記錄了信號(hào)的介質(zhì)將產(chǎn)生一定的磁場(chǎng)，在該介質(zhì)附近放置一拾波線圈，讓介質(zhì)相對(duì)于拾波線圈以恒定的速度運(yùn)動(dòng)，在拾波線圈中將感生出受介質(zhì)中磁性材料產(chǎn)生的磁場(chǎng)調(diào)制的磁通，磁通大小與介質(zhì)中磁性材料的磁化強(qiáng)度成正比。磁存儲(chǔ)方法可以用來記錄多種類型的信號(hào)。如應(yīng)用早、使用廣泛的聲頻信號(hào)記錄。聲頻信號(hào)頻率低，記錄或回放時(shí)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度慢。但是聲頻信號(hào)記錄要求線性度好、信噪比高。現(xiàn)在，磁存儲(chǔ)也用于記錄視頻信號(hào)，即記錄圖像。通常使用調(diào)頻信號(hào)來記錄視頻圖像，頻率高，要求磁頭和介質(zhì)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度也高。通常采用旋轉(zhuǎn)磁頭來實(shí)現(xiàn)。在數(shù)字存儲(chǔ)中磁存儲(chǔ)也得到廣泛應(yīng)用，磁帶和磁盤是磁存儲(chǔ)的記錄數(shù)字信號(hào)的常用方式。無論是聲頻或是視頻信號(hào)，從原理上講，均可以采用數(shù)字磁存儲(chǔ)方式記錄。實(shí)際上，在互聯(lián)網(wǎng)搜索技術(shù)快速發(fā)展的今天，海量的信息存在磁盤陣列服務(wù)器上供甚至包括離開地球的宇航員檢索使用。這些數(shù)據(jù)包括文字、聲頻、視頻，以及其他可以數(shù)字化的信息。
 

　　在新研究中，團(tuán)隊(duì)使用了柱狀反鐵磁材料，這是以前科學(xué)家從未探索過的幾何形狀。研究表明，生長(zhǎng)在重金屬層上的、直徑低至800納米的反鐵磁鉑錳(PtMn)柱，通過極低電流后可以在不同的磁態(tài)之間可逆地轉(zhuǎn)換。通過改變寫入電流的振幅，即可實(shí)現(xiàn)多級(jí)存儲(chǔ)特性。
 

　　研究人員指出，基于反鐵磁鉑錳柱制成的存儲(chǔ)器件僅為現(xiàn)有的基于反鐵磁材料存儲(chǔ)設(shè)備的1/10，而更重要的是，新型器件的制造方法與現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造規(guī)范兼容，這意味著存儲(chǔ)設(shè)備制造商可以輕松采用新技術(shù)，而無需購買新設(shè)備。
 

　　磁性材料的優(yōu)勢(shì)
 

　　電腦中的關(guān)鍵部件-存儲(chǔ)器就是由磁存儲(chǔ)材料制成。磁性材料由于其兩種磁化狀態(tài)很適于二進(jìn)制的0和l兩個(gè)數(shù)，并且通過磁電轉(zhuǎn)換便于傳輸，故適于制作存儲(chǔ)器。磁泡存儲(chǔ)器是一種很理想的的存儲(chǔ)器。所謂磁泡，實(shí)際上是一種圓柱型磁單元(或磁疇)。在一些很薄的磁性材料中若在垂直于薄片方向加磁場(chǎng)，原本呈蜿蜒曲折的條狀磁疇會(huì)收縮，當(dāng)磁場(chǎng)達(dá)到一定大小時(shí)，則會(huì)收縮成圓柱狀。這些圓柱狀磁疇在材料表面上表現(xiàn)為圓形，好像水面上浮著一群水泡，在磁場(chǎng)作用下還會(huì)來回移動(dòng)，故而得名。若以磁泡的有和無來表示1和0兩種信息，則在材料上加以控制電路或磁路，就可做到控制磁泡產(chǎn)生、消失、傳輸、分裂等，以及磁泡的相互作用，從而完成信息的存儲(chǔ)、記錄、邏輯運(yùn)算等功能。
 

　　研究人員指出，新型磁存儲(chǔ)器件很小，耗能很低，有望使反鐵磁存儲(chǔ)器走向?qū)嶋H應(yīng)用，并幫助解決AI的“內(nèi)存瓶頸”問題。目前，他們正努力尋求進(jìn)一步縮小設(shè)備尺寸，改善數(shù)據(jù)寫入耗能的方法，以盡快將新技術(shù)投入實(shí)際應(yīng)用。