Учёные из МФТИ совместно с коллегами из ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН и Международной ассоциированной лаборатории LIA LICS [Международная ассоциированная лаборатория (МАЛ) Laboratoire international associé (LIA) Критические и сверхкритические явления в функциональной электронике, акустике, флюидике (Laboratoire international associé des phénomènes critiques et supercritiques en électronique fonctionnelle, acoustique et fluidique)] продемонстрировали работу нового типа памяти. Соответствующая статья была опубликована в Applied Physics Letters. Переход к новому типу памяти может существенно сократить энергопотребление, а также позволит мгновенно запускать устройства на его основе.

Одним из главных элементов любого компьютера или смартфона является оперативная память — то, что по английски называют RAM (random access memory). Самая популярная из них — динамическая полупроводниковая RAM — использует очень простой механизм. Ячейка памяти состоит из транзистора, открывающего и закрывающего доступ к конденсатору. Заряд конденсатора является носителем информации, представленной бинарным кодом: заряжен — 1, разряжен — 0.

«Индустрия RAM сегодня очень сильно развита, скорости модулей становятся всё быстрее, однако есть существенный недостаток, который ввиду конструкции современной памяти не удастся преодолеть, — низкая энергоэффективность. Мы в своей работе демонстрируем магнито-электрическую ячейку памяти. Она позволит снизить затраты энергии на запись и чтение в десятки тысяч раз», — говорит Сергей Никитов, руководитель исследования, заведующий специализацией кафедры твердотельной электроники, радиофизики и прикладных информационных технологий МФТИ, член-корреспондент РАН, директор ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН.

Ячейка магнито-электрической памяти (MELRAM) состоит из двух элементов с особыми свойствами. Первый — это пьезоэлектрическая подложка. Пьезоэлектрики деформируются, если к ним приложить напряжение, и наоборот — создают напряжение, если их деформировать. Второй элемент — слоистая структура, которая обладает сильной магнитоупругостью, то есть уже магнитные свойства меняются вместе с деформацией. В силу анизотропии слоистой структуры — её разного строения по осям —намагниченность может иметь два направления, которым и ставят в соответствие логические единицу и ноль. Ячейки памяти MELRAM способны сохранять своё состояние, в отличие от ячеек динамической RAM, значения в которой надо постоянно обновлять и которые теряются при отключении от сети.

Антон Чурбанов, аспирант ФФКЭ МФТИ, рассказывает: «Мы создали образец размером около миллиметра и продемонстрировали его работу. Важно отметить, что на основе использованных структур можно создавать и нанометровые ячейки, сходные по размерам с теми, что используются в обычной RAM».

Особое место в исследовании занимал механизм считывания данных: в ранее демонстрировавшихся ячейках MELRAM использовались высокочувствительные датчики магнитных полей, которые довольно сложно было бы масштабировать до малых размеров. Однако выяснилось, что считывать информацию можно и без этих сложных приборов. Когда к ячейке прикладывается напряжение, пьезоэлектрическая подложка деформируется, и, в зависимости от характера деформации, намагниченность меняет направление — происходит запись информации. Однако если направление магнитного поля изменяется, то возникает некоторое дополнительное напряжение в образце, которое можно зарегистрировать, тем самым узнав состояние. Так как при считывании может измениться направление намагниченности, впоследствии необходимо перезаписать считанное значение в эту ячейку заново.

По мнению авторов работы, при переходе к маленьким размерам работоспособность предложенного ими решения никак не ухудшится, а значит, можно утверждать, что у MELRAM хорошие перспективы в области вычислительной техники с жёсткими требованиями к энергопотреблению.