Memoria de próxima generación: SOT-MRAM basada en tungsteno logra conmutación en nanosegundos y almacenamiento de datos de bajo consumo

Se sabe que la capacidad de cambiar de forma fiable la dirección de alineación magnética de los materiales, un proceso conocido como conmutación de magnetización, es fundamental para el funcionamiento de la mayoría de los dispositivos de memoria. Una estrategia conocida para lograrlo implica la creación de una fuerza de rotación (es decir, un par) sobre los espines de los electrones mediante una corriente eléctrica; un efecto físico conocido como par de órbita de giro (SOT).

Los dispositivos de almacenamiento de información que dependen de este efecto se denominan memorias magnéticas de acceso aleatorio de torsión de órbita de giro (SOT-MRAM). Se ha descubierto que estos sistemas de memoria tienen varias ventajas notables, como la capacidad de retener datos incluso cuando se corta la energía eléctrica, conmutación rápida en comparación con otras soluciones de memoria existentes y bajo consumo de energía.

Investigadores de la Universidad Nacional Yang Ming Chiao Tung, la Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, el Instituto de Investigación de Tecnología Industrial y otros institutos desarrollaron recientemente un nuevo SOT-MRAM basado en materiales compuestos que contienen el metal pesado tungsteno, conocido por su fuerte acoplamiento de órbita de giro. Su dispositivo de memoria, presentado en un artículo. publicado en Electrónica de la naturalezapodría fabricarse mediante procesos existentes para la producción a gran escala de semiconductores.

«Nuestra motivación surgió de la necesidad de una memoria confiable, de alta velocidad y de bajo consumo de energía para respaldar la informática de próxima generación», dijo a Tech Xplore Yen-Lin Huang, primer autor del artículo. «Si bien la MRAM de par de órbita de giro se había propuesto desde hacía mucho tiempo, el desafío era demostrar la conmutación en nanosegundos, la retención prolongada y la integración a gran escala en procesos compatibles con la industria de los semiconductores».

El principal objetivo del reciente estudio de Huang y sus colegas fue desarrollar una MRAM que pueda alcanzar simultáneamente velocidad y resistencia, pero que también pueda fabricarse mediante procesos que se emplean ampliamente en la industria electrónica. El dispositivo de memoria que crearon almacena información en la dirección de magnetización de una fina capa ferromagnética.

«En lugar de utilizar un campo magnético, empleamos un par de órbita de espín: una corriente a través de una capa de tungsteno genera espines que invierten la magnetización en aproximadamente 1 ns», explicó Huang.

«En comparación con DRAM y Flash, nuestra MRAM combina la no volatilidad (como Flash) con una velocidad de nanosegundos (como DRAM), pero con una potencia mucho menor y sin necesidad de ciclos de actualización. El aspecto único aquí es la estabilización de la fase de tungsteno para ofrecer una alta eficiencia de giro y una integración lista para la industria».

Los investigadores crearon un prototipo de su memoria, con una matriz de 64 kilobits (kb), y luego evaluaron su rendimiento en condiciones alineadas con aplicaciones del mundo real. Se descubrió que SOT-MRAM alcanza una notable velocidad de conmutación de 1 ns y un tiempo de retención superior a 10 años.

«Estabilizamos una fase del tungsteno que normalmente es difícil de controlar pero crucial para la eficiencia del centrifugado hasta 700 °C», dijo Huang. «Nuestro estudio muestra que SOT-MRAM se puede ampliar hacia la memoria caché en el chip y la memoria integrada, lo que permite una IA energéticamente eficiente y computación de vanguardia donde tanto la velocidad como la no volatilidad son importantes».

El trabajo reciente de Huang y sus colegas podría abrir nuevas posibilidades para la fabricación escalable y a gran escala de SOT-MRAM de alto rendimiento basadas en tungsteno de fase β. En el futuro, otros equipos de investigación podrían aprovechar este estudio para desarrollar otros sistemas de memoria que sean rápidos, estables y compatibles con los procesos de fabricación existentes.

«Ahora pretendemos ir más allá de las matrices de prueba de concepto hacia la integración de clase megabit, al tiempo que reducimos aún más la corriente de escritura por debajo de niveles de subpicojulio/bit», añadió Huang. «En el lado de la física, estamos explorando nuevas interfaces de óxido y 2D para impulsar aún más la eficiencia y la confiabilidad. Otra dirección son las demostraciones a nivel de sistema, que muestran cómo MRAM puede reducir la energía total en aceleradores de IA y dispositivos móviles».

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