Veijo Hänninen

Muistitekniikan muodonmuutos

Muistipiireiltä odotetaan tulevaisuudessa paitsi nopeutta ja haihtumattomuutta mutta niille suunnitellaan myös aivan uudenlaisia toimintoja. Tavoitteisiin pyritään erilaisten materiaaliteknisten tutkimussaavutusten kautta.

Tutkijat ovat jo jonkin aikaa kehittäneet muistiratkaisuja, jotka suorittavat perinteisesti prosessoreille kuuluvia laskentatehtäviä. Näin dataa voidaan näppärästi käsitellä samalla paikalla, johon se on tallennettu. Näin poistuu laskennallinen pullonkaula, joka pakottaa tietokoneprosessorit kuluttamaan aikaa ja energiaa, niiden hakiessa dataa tallennetusta muistista

Muistipiiri prosessorin hommiin

Esimerkiksi Princetonin yliopiston tutkijoiden In-memory-computing -tekniikkaan perustava piiritekniikka on suunniteltu toteuttamaan suoraan muistissa tapahtuva laskenta.

Princetonin aiempi tutkimussaavutus tuotti siruun tehokkaan perusohjaimen ja nyt siihen on integroitu ohjelmoitava prosessoriarkkitehtuuri. Se toimii nyt tavallisten tietokonekielten kuten C:n avulla.

Viime vuonna esitelty uudempi Princeton-siru on tarkoitettu tukemaan järjestelmiä, jotka on suunniteltu syväoppimisen päättelyalgoritmeihin.

Uusi piirirakenne yhdistää kondensaattoreita tavallisten staattisten satunnaishakumuistin (SRAM) soluihin. Nykytekniikalla kondensaattoreita voidaan tehdä sirulle paljon enemmän kuin transistoreita.

Kondensaattoreiden ja SRAM:n yhdistelmää käytetään toteuttamaan laskentaa analogisessa muodossa mutta silti luotettavalla tavalla ja ohjelmoitavuudella varustettuna. Näin muistipiirit voivat suorittaa laskutoimituksia sirun keskusprosessointiyksikön ohjaamilla tavoilla.

Myös Nanyangin teknillisessä korkeakoulussa (NTU Singapore) yhteistyössä Saksan RWTH Aachen Universityn ja Forschungszentrum Juelichin kanssa on äskettäin kehitetty muistirakenteissa toimiva laskentapiiri.

Se on rakennettu käyttäen alan uusinta parhaillaan kaupallistuvaa muistitekniikkaa, joka tunnetaan Redox-pohjaisena resistiivisen kytkennän Random Access Memory (ReRAM) muisteina..

Vauhtia laskentaan memristoreilla

Memristoripiirejä on tutkittu laajasti erityisesti dataintensiivisiä tehtäviä, kuten keinotekoisia hermoverkkoja ajatellen.

Memsristoreilla on kuitenkin vaikea toteuttaa tarkkuutta vaativia laskentatehtäviä, koska normaalisti ne eivät sellaista tarjoa ja kärsivät suuresta piirikohtaisista vaihteluista.

University of Michiganin tutkijat ovat järjestäneet memristoreita lohkoksi tavalla, joka voisi mahdollistaa niiden käytön yleiseen tietojenkäsittelyyn ja samalla vähentäen energiankulutusta satakertaisesti.

Memristorit voidaan ohjelmoida erilaisilla resistanssiarvoilla ja ne mahdollistavat muistin ja käsittelyn samassa piirissä. Memristorien resistanssit ovat jatkuvia joten datankäsittelyssä ne eivät ole riittävän tarkkoja numeeristen laskelmien suhteen. Tutkijat kiersivät ongelman digitoimalla ulostulot bittiarvoiksi (0 tai 1).

Tietokoneissa nämä uudet muistiyksikkölohkot voisivat olla erityisen hyödyllisiä koneoppimisen ja tekoälyn algoritmien toteuttamisessa. Ne soveltuvat myös matriisioperaatioihin perustuviin tehtäviin, kuten sääennusteisiin käytettäviin simulaatioihin.

Ferromagneettisten täysoptinen ohjaus

Vuonna 2014 osoitettiin ensimmäistä kertaa optinen ohjaus ferromagneettisille materiaaleille, jotka ulottuvat magneettisista ohuista kalvoista monikerroksisiin ja joita tutkitaan käytettäväksi erittäin tiheään magneettiseen tallennukseen.

Tulokset osoittivat, että magneettisten materiaalien optinen ohjaus on paljon yleisempi ilmiö kuin aiemmin oletettiin.

Samoihin aikoihin kehitettiin myös materiaaliratkaisuja joilla olisi sekä ferrosähköisiä että ferromagneettisia ominaisuuksia.

Tällaiset multiferroiset materiaalit tarjoavat mahdollisuuden vaihtaa materiaalin magnetismia sähkökentällä tai vaihtaa sen sähköistä napaisuutta magneettikentällä. Tällainen ominaisuus tekee niistä erittäin houkuttelevia käytettäväksi seuraavan sukupolven, pienitehoisissa, haihtumattomissa muistilaitteissa

Perovskiitista myös muistipiirejä

Vuonna 2015 Liverpoolin yliopiston tutkijat kehittivät materiaalin, jossa yhdistyy sekä sähköinen että magneettinen järjestys huonelämpötilassa.

Sekä datan tallennus että manipulointi vaatii energiaa.

Materiaalia jolla on sekä sähköistä että magneettista järjestystä huonelämpötilassa ollut vaikea kehittää, koska nämä kaksi ominaisuutta ovat usein kilpailevia vaatimuksia.

Ferrosähköisyyttä kaupallisissa muisteissa jo hyödynnetäänkin mutta Liverpoolin tutkijat kuitenkin onnistuivat yhdistämään ferrosähköisyyttä ja ferromagneettisuutta huonelämpöisessä perovskiittioksidissa. Tutkijat uskovat sellaisen olevan tärkeä kehitettäessä vähäenergisiä muistitekniikoita.

Nopea faasimuutos

Faasimuutosmuisti on yksi mahdollinen seuraavan sukupolven tekniikka. Tutkijat ovat jo jonkin aikaa tienneet, että tietyillä materiaaleilla on mukautuvia atomirakenteita, jotka tarjoavat mielenkiintoisia sähköisiä mahdollisuuksia.

Faasimuutosmateriaalit voivat esiintyä kahdessa eri atomirakenteessa, joilla on erilainen elektroninen tila. Kiteinen atomirakenne sallii elektronien kulun kun taas amorfinen rakenne estää niitä.

Tutkijat ovat kehittäneet tapoja kääntää näiden materiaalien rakenteellisia ja elektronisia tiloja soveltamalla lyhyitä lämpöpurkauksia, jotka toimitetaan sähköisesti tai optisesti. Asetettu tila myös säilyy kunne se saa uuden ohjauksen.

Vuonna 2016 Stanfordin tutkijat saivat tämän muutoksen tapahtumaan tuhat kertaa nopeammin kuin muilla silloisilla muisteilla oli mahdollista.

Antimagneettisia ja kiraalisia muistimateriaaleja

Vuoden 2016 Tammikuussa Nottinghamin yliopiston fyysikot yhdessä tšekkiläisten, saksaslaisten ja puolalaisten sekä Hitachi Europen tutkijoiden kanssa osoittivat miten antiferromagneettien magneettisia spinejä voidaan hallita tuottamaan täysin uudentyyppinen digitaalinen muisti.

Käytännössä työ osoitti ensimmäisen sähköisesti tapahtuvan antiferromagneetin ohjailun.

Koska antiferromagneettinen ratkaisu ei tuota magneettikenttiä niin yksittäiset elementit voidaan pakata tiiviimmin. Sähköinen vaihtokytkentä johtaa myös pienempään virrankäyttöön kuin magneettikentillä toimittaessa. Antiferromagneettinen muisti on myös vähemmän herkkä magneettikentille ja säteilylle.

Japanilaisten tutkijoiden vetämä työryhmä onnistui vuonna 2016 kokeellisesti todentaa kiraalisten magneettisien materiaalien kiteiden ominaisuuksia, jotka voivat johtaa uuden tyyppisiin magneettisiin muisteihin, joilla periaatteessa monitasoinen tallennuskapasiteetti.

Topologista magnetoresistanssia

Magnetoresistanssia hyödynnetään jo nykyään kiintolevyjen lukupäissä, magneettikenttien antureissa ja kenties uudenlaisissa magnetoresistanssisissa satunnaishakumuisteissa.

Minnesotan yliopiston tutkijoiden viime vuonna tekemä löytö esittelee uudenlaisen magnetoresistanssin olemassaolon. Sellainen löytyi topologisista eristeistä ja voi johtaa parannuksiin tulevaisuuden datankäsittelyssä ja tallennuksessa.

"Meidän löytömme on yksi puuttuva osa palapeliä, jolla parannetaan pienen tehonkäytön datankäsittelyä ja muisteja puolijohdeteollisuudessa, mukaan lukien aivojen kaltainen tietojenkäsittely sekä sirut roboteille ja magneettiset 3D-muistisirut", toteaa Minnesotan yliopiston professori Jian-Ping Wang.

Magneettisia pyörremyrskyjä

Varsin äskettäin löydetyt skyrmionit ovat pieniä magnetismin saaria, jotka muodostuvat tietyissä materiaaleissa.

Skyrmioneilla on ominaisuuksia, jotka suojaavat niitä ulkopuolisilta vaikutuksilta, eli niiden tallentama data on hyvin suojassa harhautuneista magneettikentistä tai materiaalin fyysisiä vioista huolimatta.

Johannes Gutenberg University Mainzin (JGU) ja Massachusetts Institute of Technologyn (MIT) voimin tutkittiin rakenteita, jotka voisivat toimia magneettisena siirtorekisterinä tai raviratamaisina muistilaitteina. Tämäntyyppinen tallennus lupailee nopeita hakuaikoja, korkea datatiheyttä ja alhaista energiankulutusta.

Vuonna 2016 tutkijaryhmä saavutti tehokkaan skyrmionien liikuttamisen eri paikkojen välillä, mikä on se prosessi, jota tarvitaan magneettisessa siirtorekisterissä.

Koska skyrmioneja voidaan siirtää sähkövirtojen avulla ja ne tuntevat magneettisen radan reunojen hylkimisvoima sekä yksittäiset vikakohdat langassa, ne voivat liikkua suhteellisen häiriöttä läpi radan. Tämä on erittäin haluttu ominaisuus raviratamaisille laitteille, joissa on tarkoitus olla staattiset luku- ja kirjoituspäät, kun sen sijaan magneettiset bitit siirtyvät radalla.

Sprintroniikkaan tähyten

Ryhmä tutkijoita Drexel yliopistosta etsi vuonna 2015 apua uuden luokan materiaaleista, joita voisi käyttää spintroniseen datan tallennukseen.

Spinin siirron elektroniikka eli spintroniikka pyrkii hyödyntämään elektronien luontaisia spinejä materiaalin magneettisien ominaisuuksien hallitsemiseksi.

Spintroninen muisti on houkutteleva vaihtoehto kiintolevyille ja RAM:lle, koska siinä ei tarvita suurta ulkoista magneettikenttää tai lukupäätä, mikä tekisi rakenteista vähemmän tehoa vaativia.

Teoriassa spintroninen tallennus voisi koodata dataa virittämällä elektronin spiniä erityisellä materiaalin läpi kulkeneella polarisoituneella sähkövirralla. Binäärikuvio luodaan sitten elektronien "ylös" tai "alas" spineillä.

Ionit magneettisuuden ohjauksessa

MIT:n ja Brookhaven National Laboratoryn tutkijat ovat osoittaneet, että he voivat ohjata ohutkalvomateriaalin magneettisia ominaisuuksia yksinkertaisesti pienellä jännitteellä. Ominaisuudet myös säilyvät ilman jatkuvaa tehonkäyttöä.

Tässä uudenlaisessa magneettisen ioniikan tutkimusalaan perustuvassa ratkaisussa käytetään vetyioneja aikaisempien kokeiden suurempien happi-ionien sijasta. Koska vetyioneja voidaan liikutella nopeammin ja helpommin, uusi järjestelmä on paljon nopeampi ja voi tarjoaa muita merkittäviä etuja, toteavat tutkijat.

Kyseessä on spintroninen piiritekninen ratkaisu, jota voidaan soveltaa sekä muisti- että logiikkapiireihin.

Ferro- vai ferrimagneettisuus

Tietyt nykyiset ferromagneetteihin spinien suuntiin perustuvat spintroniset muistituotteet jo toimivatkin mutta ne ovat edelleen erittäin kalliita skaalautuvuuden ja vakautta koskevien ongelmien vuoksi.

"Ferromagneettis-pohjaisia muisteja ei voida kasvattaa muutamaa nanometriä paksummaksi, koska niiden kirjoitustehokkuus heikkenee eksponentiaalisesti paksuuden kasvaessa. Tämä paksuusalue ei riitä varmistamaan tallennetun digitaalisen datan vakautta normaaleja lämpötilamuutoksia vastaan," kertoi Singaporen kansallisen yliopiston (NUS) Yu Jiawei.

Loppuvuodesta 2018 tämä kansainvälisten tutkijoiden ryhmä kertoi havainneensa, että ferrimagneettien käyttö voi johtaa dramaattisesti stabiilimpiin ja tehokkaampiin spinperustaisiin muisteihin.

NUS:n tutkijat ovat kehitelleet uudenlaisen magneettisen rakenteen, joka kykenee manipuloimaan digitaalista informaatiota 20 kertaa tehokkaammin ja 10 kertaa vakaammin kuin nykyiset kaupalliset spintroniset muistit.

Tämä läpimurto mahdollistaa tutkijoiden mukaan spinpohjaisen muistin kaupallisen menestyksen nopeuttamisen.

Huonelämpöisiä atomimagneetteja

Aikoinaan EPFL:n ja ETH Zürichin yhteinen tutkijaryhmä rakensi prototyyppisen yhden atomin magneetin, joka perustuu harvinaisten maametallien holmiumin atomeihin.

Keväällä 2017 Institute of Basic Science tutkijat (Etelä-Korea) esittelivät tutkimusta, jonka varsinainen havainto tehtiin IBM Almaden Research Centerissä (USA).

Työssä käytettiin tunnelointimikroskoopin kärkeä ujuttamaan sähköinen pulssi muuttamaan yksittäisten holmium-atomien magneettisuuden suuntaa.

Atomin tilan luentaan käytettiin rakennelmaa, jossa holmium-atomin viereen on sijoitettu rauta-atomi. Toisena tekniikkana käytettiin tunneloivaa magnetoresistanssia. Niiden avulla tutkijat saattoivat todeta, että holmium säilytti magneettisen tilansa stabiilisti useita tunteja.

Lisäksi kaksi holmium atomia pystyi tallentamaan informaatiota toisistaan riippumatta. Tämä tuli yllätyksenä, koska oletettiin, että magneettikentän yksi atomi vaikuttaisi naapuriinsa. Näin tutkijat saattoivat rakentaa kaksibittisen laiteen, jossa on biteille neljä vaihtoehtoa: 1-1, 0-0, 1-0 ja 0-1.

Supramuisteja ja supraprosessoriin

University of Illinois at Urbana-Champaignin tutkijat esittelivät 2017 uuden muistisolun, jolla on potentiaalia onnistuneelle integroinnille suprajohtavien prosessorien kanssa.

Suprajohtava tietotekniikka voisi jouduttaa odotetun, vähäenergisen vaihtoehdon tuloa suuren hukkatehon tuottaville perinteisille konesaleille ja supertietokoneille.

Aiheesta aiemmin esitellyt rakenteet tukeutuvat Josephson-liitoksiin ja induktiivisiin elementteihin. Ne toimivat mikrometrien alueella mutta niiden miniaturisointia rajoittaa Josephson-liitosten ja geometrisen induktanssin koko.

Uudessa nanotason ratkaisussa ei tukeuduta enää suprajohtavan nanolankaisen silmukan geometriseen induktanssiin vaan kineettiseen induktanssiin.

Ratkaisu tukeutuu nanolankaiseen squidiin (SQUID). Kulkevan virran suunta silmukan läpi vastaa binäärikoodia ”0” tai ”1”.

”Koska kineettinen induktanssi kasvaa langan poikkileikkauksen mittojen pienetessä, nanolankaisia squid-muistielementtejä voidaan pienentää edelleen, alueelle kymmeniä nanometrejä,” toteaa tutkimusta vetänyt Alexey Bezryadin yliopistonsa tiedotteessa.

Täysoptisia muistipiirejä

Vuonna 2015 Karlsruhe Institute of Technologyn (KIT) sekä Münsterin, Oxfordin ja Exeterin yliopistojen tutkijoiden toimesta kehitettiin ensimmäinen täysoptinen mikropiireille soveltuva haihtumaton muistiratkaisu.

Muistirakenne perustuu faasimuutosmateriaaliin Ge2Sb2Te5 (GST). Nämä materiaalit voivat muuttaa tilaansa kiteisestä amorfiseen ja päinvastoin. Tällöin se tehtiin ultralyhyellä aallonpituuden mukaan multipleksatulla valopulssilla. Datan lukemiseen käytetään heikompaa valopulssia.

Valo ja molekyyli

Yhtenä perimmäisenä tavoitteena voidaan pitää Kanadalaisen Victoria yliopiston tutkijoiden kehittelemää valo-ohjaukseen perustuvaa molekyylitason Random Acces Memory eli LI-RAM-muistia.

Tutkijoiden kehittämällä LI-RAMin materiaalilla on epätavallinen ominaisuus muuttaa nopeasti magneettisia ominaisuuksia kun siihen heijastetaan vihreää valoa.

Tämä tarkoittaa, että informaatiota voidaan käsitellä ja tallentaa yhden molekyylin tasolla, jolloin voidaan kehittää yleiskäyttöistä muistia - tekniikkaa, jota on tähän asti pidetty hypoteettisena.

Tekniikan on kehittänyt materiaalikemisti Natia Frankin ja aiheesta on jo tehty patenttihakemus. Frank työskentelee jo kansainvälisten elektroniikkavalmistajien kanssa optimoidakseen ja kaupallistaakseen teknologian, joka voisi löytää tiensä kuluttajille seuraavien 10 vuoden aikana.

Helmikuu 2019