Ученые продемонстрировали работу нового типа оперативной памяти. Переход к его использованию может существенно сократить энергопотребление, а также позволит мгновенно запускать устройства на его основе. Статья об изобретении была опубликована в журнале Applied Physics Letters.

Одним из главных элементов любого компьютера или смартфона является оперативная память — 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 все 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 руководитель исследования Сергей Никитов (МФТИ).

Ячейка магнито-электрической памяти (MELRAM) состоит из двух элементов. 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 — ее разного строения по осям — намагниченность может иметь два направления, которым и ставят в соответствие логические единицу и ноль. Ячейки памяти MELRAM способны сохранять свое состояние в отличие от ячеек динамической RAM, значения в которой надо постоянно обновлять и которые теряются при отключении от сети.

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.

Схема, демонстрирующая ячейку магнито-электрической памяти (MELRAM) МФТИ

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 жесткими требованиями к энергопотреблению.

Новый тип оперативной памяти создали ученые из МФТИ совместно с коллегами из Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН и Международной ассоциированной лаборатории LIA LICS.