Hur mycket energi förbrukas varje gång vi laddar upp en bild till sociala medier, som förlitar sig på datacenter och molnlagring? Datacenter står för närvarande för cirka 1% av den globala energiförbrukningen, vilket motsvarar 200 terawattimmar el per år. Denna enorma efterfrågan på energi har fått forskare att utforska innovativa sätt att minska energianvändningen.
Ett team av forskare vid Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) i Tyskland har nu uppnått ett viktigt mål inom minnesteknik i nära samarbete med Antaios, ett företag i Frankrike som tillverkar magnetiska RAM-minnen. Deras innovation, baserad på SOT (Spin-Orbit Torque) Magnetic Random-Access Memory (MRAM), erbjuder en mycket effektiv och kraftfull lösning för databehandling och lagring – ett omvälvande steg framåt för teknik som sträcker sig från smartphones till superdatorer.
”Den här prototypen är unik i sitt slag och kan revolutionera datalagring och databehandling. Den ligger i linje med de globala målen att minska energiförbrukningen och banar väg för snabbare och effektivare minneslösningar”, säger Dr. Rahul Gupta, tidigare postdoktor vid JGU Institute of Physics, där han ledde forskningen, och huvudförfattare till studien som nyligen publicerades i Nature Communications.
SOT-MRAM utmärker sig genom sin överlägsna energieffektivitet, icke-flyktighet och prestanda jämfört med statiskt RAM, vilket gör det till en stark kandidat för att ersätta cacheminne i t.ex. datorarkitektur. Denna banbrytande teknik använder elektriska strömmar för att växla magnetiska tillstånd, vilket möjliggör tillförlitlig datalagring.
En viktig utmaning har dock varit att minska den höga inmatningsström som krävs under skrivprocessen och samtidigt säkerställa industriell kompatibilitet. Detta inkluderar att bibehålla tillräcklig termisk stabilitet för att lagra data i över 10 år och minimera den energi som krävs för att utföra lagringsuppgiften.
Genom att utnyttja tidigare försummade orbitalströmmar har forskare vid JGU och Antaios utvecklat ett unikt magnetiskt material som innehåller element som rutenium som en SOT-kanal – en grundläggande byggsten i SOT MRAM – för att avsevärt förbättra prestandan. Deras innovation inkluderar:
- en minskning av den totala energiförbrukningen med över 50% jämfört med befintliga minnestekniker i industriell skala;
- 30% högre effektivitet, vilket möjliggör snabbare och mer tillförlitlig datalagring;
- en minskning med 20% av den ingående ström som krävs för magnetisk växling för att lagra data;
- Uppnåendet av en termisk stabilitetsfaktor som garanterar en datalagringslivslängd på mer än 10 år.
Hemligheten bakom effektivt minne
Genombrottet utnyttjar ett fenomen som kallas Orbital Hall Effect (OHE), vilket möjliggör ökad energieffektivitet utan att förlita sig på sällsynta eller dyra material. Traditionellt har SOT-MRAM förlitat sig på elektronernas spinnegenskaper, där laddningsström omvandlas till spinnström via Spin Hall-effekten. Denna process kräver element med hög spinn-orbits-koppling, vanligtvis sällsynta och dyra, ofta miljöovänliga, material med högt atomnummer som platina och volfram.
”I vår metod utnyttjar vi däremot ett nytt grundläggande fenomen genom att använda orbitalströmmar som härrör från laddningsströmmar genom Orbital Hall-effekten, vilket eliminerar beroendet av dyra och sällsynta material”, förklarar Dr. Gupta.
Dr. Gupta förklarar vidare att genom att kombinera detta innovativa tillvägagångssätt med toppmodern teknik har teamet utvecklat en skalbar och praktisk lösning som är redo att integreras i vardagstekniken. Denna forskning är ett exempel på hur vetenskapliga framsteg kan bidra till att lösa några av vår tids mest angelägna utmaningar. Den globala energiförbrukningen ökar stadigt, och genombrott som detta belyser teknikens avgörande roll för att skapa en mer hållbar framtid.
Framgångsrikt industriellt samarbete
JGU:s projektkoordinator professor Mathias Kläui betonade sin glädje över det framgångsrika samarbetet med Dr. Marc Drouards team på Antaios i Frankrike och sa: ”Jag är mycket glad över att detta samarbete har resulterat i detta spännande enhetskoncept, som inte bara är fascinerande ur en grundvetenskaplig synvinkel utan också kan få konsekvenser för industrin när det gäller grön IT.
”Att minska strömförbrukningen genom att upptäcka innovativa fysiska mekanismer som möjliggör utveckling av effektivare teknik är ett av målen med vår forskning.”
För mer information: Rahul Gupta et al, Harnessing orbital Hall effect in spin-orbit torque MRAM, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-024-55437-x
