新型磁存儲器件有望解決AI“內存瓶頸”

　　【儀表網 儀表下游】美國和意大利研究人員10日在《自然·電子》雜志上發表研究報告稱，他們開發出一種基于反鐵磁材料的新型磁存儲器件，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)發展所遭遇的“內存瓶頸”。
 

　　AI技術的快速發展有望改善醫療保健、交通運輸等多個領域，但其巨大潛力的發揮要以足夠的算力為基礎，隨著AI數據集越來越大，計算機需要有更強大的內存支撐。理想情況下，支持AI的存儲設備不僅要有與靜態隨機存儲器(SRAM)一樣快的速度，還要有類似于動態隨機存儲器(DRAM)或閃存的存儲容量，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技術，這導致了所謂的“內存瓶頸”，嚴重限制了當前AI的性能及應用。
 

　　為此，美國西北大學和意大利墨西拿大學的研究人員合作，將目標瞄向了反鐵磁材料。反鐵磁材料依靠磁性的有序自旋來完成數據存儲，所存數據也無法被外部磁場擦除。因其快速安全、耗能低，被視為存儲設備的潛力材料，而如何控制材料內部磁序則成為目前的一個研究難點。
 

　　磁介質以恒定的速度沿一固定方向與一環形電磁鐵做相切運動，在磁頭線圈中通入待記錄的信號電流，磁頭縫隙將會產生強度受信號調制的磁場。該磁場將磁化分布在介質上的磁性材料，產生剩磁。由于介質與磁頭的速度保持不變，剩磁沿介質運動方向上的分布直接反應了信號的變化規律。即記錄磁頭在介質中感生并饋人了與信號電流成比例的剩余磁化強度，信號電流隨時間的變化規律轉化成剩余磁化強度隨距離的變化而被存儲下來了。這種記錄了信號的介質將產生一定的磁場，在該介質附近放置一拾波線圈，讓介質相對于拾波線圈以恒定的速度運動，在拾波線圈中將感生出受介質中磁性材料產生的磁場調制的磁通，磁通大小與介質中磁性材料的磁化強度成正比。磁存儲方法可以用來記錄多種類型的信號。如應用早、使用廣泛的聲頻信號記錄。聲頻信號頻率低，記錄或回放時介質的運動速度慢。但是聲頻信號記錄要求線性度好、信噪比高。現在，磁存儲也用于記錄視頻信號，即記錄圖像。通常使用調頻信號來記錄視頻圖像，頻率高，要求磁頭和介質之間的相對運動速度也高。通常采用旋轉磁頭來實現。在數字存儲中磁存儲也得到廣泛應用，磁帶和磁盤是磁存儲的記錄數字信號的常用方式。無論是聲頻或是視頻信號，從原理上講，均可以采用數字磁存儲方式記錄。實際上，在互聯網搜索技術快速發展的今天，海量的信息存在磁盤陣列服務器上供甚至包括離開地球的宇航員檢索使用。這些數據包括文字、聲頻、視頻，以及其他可以數字化的信息。
 

　　在新研究中，團隊使用了柱狀反鐵磁材料，這是以前科學家從未探索過的幾何形狀。研究表明，生長在重金屬層上的、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之間可逆地轉換。通過改變寫入電流的振幅，即可實現多級存儲特性。
 

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

　　磁性材料的優勢
 

　　電腦中的關鍵部件-存儲器就是由磁存儲材料制成。磁性材料由于其兩種磁化狀態很適于二進制的0和l兩個數，并且通過磁電轉換便于傳輸，故適于制作存儲器。磁泡存儲器是一種很理想的的存儲器。所謂磁泡，實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，原本呈蜿蜒曲折的條狀磁疇會收縮，當磁場達到一定大小時，則會收縮成圓柱狀。這些圓柱狀磁疇在材料表面上表現為圓形，好像水面上浮著一群水泡，在磁場作用下還會來回移動，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、記錄、邏輯運算等功能。
 

　　研究人員指出，新型磁存儲器件很小，耗能很低，有望使反鐵磁存儲器走向實際應用，并幫助解決AI的“內存瓶頸”問題。目前，他們正努力尋求進一步縮小設備尺寸，改善數據寫入耗能的方法，以盡快將新技術投入實際應用。