新型磁存储器件有望解决AI“内存瓶颈”

　　【仪表网 仪表下游】美国和意大利研究人员10日在《自然·电子》杂志上发表研究报告称，他们开发出一种基于反铁磁材料的新型磁存储器件，其体积很小，耗能也非常低，很可能有助于解决目前人工智能(AI)发展所遭遇的“内存瓶颈”。
 

　　AI技术的快速发展有望改善医疗保健、交通运输等多个领域，但其巨大潜力的发挥要以足够的算力为基础，随着AI数据集越来越大，计算机需要有更强大的内存支撑。理想情况下，支持AI的存储设备不仅要有与静态随机存储器(SRAM)一样快的速度，还要有类似于动态随机存储器(DRAM)或闪存的存储容量，更重要的是，它耗能要低。但目前还没有满足所有这些需求的存储技术，这导致了所谓的“内存瓶颈”，严重限制了当前AI的性能及应用。
 

　　为此，美国西北大学和意大利墨西拿大学的研究人员合作，将目标瞄向了反铁磁材料。反铁磁材料依靠磁性的有序自旋来完成数据存储，所存数据也无法被外部磁场擦除。因其快速安全、耗能低，被视为存储设备的潜力材料，而如何控制材料内部磁序则成为目前的一个研究难点。
 

　　磁介质以恒定的速度沿一固定方向与一环形电磁铁做相切运动，在磁头线圈中通入待记录的信号电流，磁头缝隙将会产生强度受信号调制的磁场。该磁场将磁化分布在介质上的磁性材料，产生剩磁。由于介质与磁头的速度保持不变，剩磁沿介质运动方向上的分布直接反应了信号的变化规律。即记录磁头在介质中感生并馈人了与信号电流成比例的剩余磁化强度，信号电流随时间的变化规律转化成剩余磁化强度随距离的变化而被存储下来了。这种记录了信号的介质将产生一定的磁场，在该介质附近放置一拾波线圈，让介质相对于拾波线圈以恒定的速度运动，在拾波线圈中将感生出受介质中磁性材料产生的磁场调制的磁通，磁通大小与介质中磁性材料的磁化强度成正比。磁存储方法可以用来记录多种类型的信号。如应用早、使用广泛的声频信号记录。声频信号频率低，记录或回放时介质的运动速度慢。但是声频信号记录要求线性度好、信噪比高。现在，磁存储也用于记录视频信号，即记录图像。通常使用调频信号来记录视频图像，频率高，要求磁头和介质之间的相对运动速度也高。通常采用旋转磁头来实现。在数字存储中磁存储也得到广泛应用，磁带和磁盘是磁存储的记录数字信号的常用方式。无论是声频或是视频信号，从原理上讲，均可以采用数字磁存储方式记录。实际上，在互联网搜索技术快速发展的今天，海量的信息存在磁盘阵列服务器上供甚至包括离开地球的宇航员检索使用。这些数据包括文字、声频、视频，以及其他可以数字化的信息。
 

　　在新研究中，团队使用了柱状反铁磁材料，这是以前科学家从未探索过的几何形状。研究表明，生长在重金属层上的、直径低至800纳米的反铁磁铂锰(PtMn)柱，通过极低电流后可以在不同的磁态之间可逆地转换。通过改变写入电流的振幅，即可实现多级存储特性。
 

　　研究人员指出，基于反铁磁铂锰柱制成的存储器件仅为现有的基于反铁磁材料存储设备的1/10，而更重要的是，新型器件的制造方法与现有的半导体制造规范兼容，这意味着存储设备制造商可以轻松采用新技术，而无需购买新设备。
 

　　磁性材料的优势
 

　　电脑中的关键部件-存储器就是由磁存储材料制成。磁性材料由于其两种磁化状态很适于二进制的0和l两个数，并且通过磁电转换便于传输，故适于制作存储器。磁泡存储器是一种很理想的的存储器。所谓磁泡，实际上是一种圆柱型磁单元(或磁畴)。在一些很薄的磁性材料中若在垂直于薄片方向加磁场，原本呈蜿蜒曲折的条状磁畴会收缩，当磁场达到一定大小时，则会收缩成圆柱状。这些圆柱状磁畴在材料表面上表现为圆形，好像水面上浮着一群水泡，在磁场作用下还会来回移动，故而得名。若以磁泡的有和无来表示1和0两种信息，则在材料上加以控制电路或磁路，就可做到控制磁泡产生、消失、传输、分裂等，以及磁泡的相互作用，从而完成信息的存储、记录、逻辑运算等功能。
 

　　研究人员指出，新型磁存储器件很小，耗能很低，有望使反铁磁存储器走向实际应用，并帮助解决AI的“内存瓶颈”问题。目前，他们正努力寻求进一步缩小设备尺寸，改善数据写入耗能的方法，以尽快将新技术投入实际应用。