게시 및 게시 날짜 : 2018/12/05

열을 사용한 고속, 고효율 극 제어

-MRAM 및 AI 하드웨어에 대한 전력 소비를 낮추는 수준

연구 결과의 포인트

  • 열을 사용하여 나노 크기의 자석의 바카라 필승법 극을 성공적으로 제어했습니다
  • 우리는 나노 크기의 자석이 열을 사용하여 바카라 필승법 극의 고효율 제어를 통해 고주파 전기 신호를 증폭시키는 현상을 발견했습니다
  • 이 기술은 비 휘발성 고체 바카라 필승법 메모리의 전력 소비를 낮추는 데 기여할 것으로 예상됩니다 MRAM 및 AI 하드웨어


요약

Osaka University의 기본 공학 대학원 (Goto Jo) 조교수 (Academic Collaboration Research and Education for Academic Collaboration Research and Education), Wakatake Yosuke (당시, 2 학년 석사 프로그램),Ugwumsinachi Kalu Oji(당시 학부생), Miwa Shinji 부교수 (현재 도쿄 대학교) 및 Suzuki Yoshishige 교수, Suzuki Yoshishige 교수는 General Research and Research Team의 수장이며, 바카라 커뮤니티 Spintronics Research Center, Yakushiji Research Team의 국립 연구소 책임자, FUUCUSHIO의 DIRECTOR의 DIRCOUTECTER의 DIRECTER의 책임자입니다 Yuasa Shinji Research CenterGrenoble Alpes University의 Nikita Strelkov연구원,Bernard Dieny교수와 협력하여, 우리는 열을 사용하여 고속 및 고효율로 나노 크기의 자석의 바카라 필승법 극의 방향을 성공적으로 제어했습니다

Society 50은 AI 및 기타 수단을 통해 필요한 경우 필요한 정보를 제공해야하며,이를 달성하기 위해서는 AI와 관련된 정보 저장 및 에너지 소비를 크게 줄여야합니다 이 연구는 나노 크기의 자석을 사용하여 위의 문제를 해결하는 것을 목표로했으며, 한 걸음 앞으로 열을 사용하여 바카라 필승법 극을 효율적으로 제어했습니다 결과적으로, 우리는 나노 크기의 자석이 고주파 전기 신호를 증폭시키는 새로운 현상을 발견했습니다 이 기술은 비 휘발성 고체 바카라 필승법 기억의 전력 소비를 낮추는 데 기여할 것으로 예상됩니다 MRAM 및 AI 하드웨어

이 연구는 캐비닛 사무소의 혁신적인 연구 개발 촉진 프로그램 아웃소싱의 일환으로 수행되었습니다 뇌 유형의 산술 처리 기술 "

이 연구 결과는 2019 년 1 월 4 일에 출판 된 British Scientific Journal "Nature Nanotechnology"(2018 년 11 월 26 일 오후 4시 (UK Time)에 게시 된 온라인 Breaking Edition에 게시됩니다



배경과 역사

최근 몇 년iot참고 1)yaai참고 2)의 빠른 개발로 정보 및 통신 장비의 전력 소비를 줄이는 것이 시급히 필요합니다 또한 가장 중요한 문제는 재난이 반복되는 경우에도 오랫동안 작동하는 저전력 정보 및 커뮤니케이션 터미널을 실현하는 것입니다 이러한 문제를 해결하는 방법으로spintronics참고 3)9499_9544바카라 필승법 랜덤 액세스 메모리 (Magnetoresistive Random Access Memory : MRAM)참고 4)의 개발 적극적으로 수행되고 있습니다 MRAM은 자석 바카라 필승법 기둥의 방향을 사용하여 정보를 저장하므로 대기 전원이 제로가있는 저전력 메모리 일 것으로 예상됩니다 최근 몇 년 동안 연구는 이러한 기술을 AI 하드웨어에 적용하고 AI의 전력 소비를 줄이기위한 시도를 시작했습니다 이 정보를 저장하는 요소바카라 필승법 터널 정션 (바카라 필승법 터널 접합 : MTJ)참고 5)이것은 호출되며 작은 전류 및 전압으로 MTJ의 바카라 필승법 극의 방향을 제어함으로써 요소의 전력 소비를 줄일 수 있습니다 지금까지 그것은 요소입니다스핀 주입참고 6)를 수행하여 정보를 작성하는 MRAM의 개발이 진행되었습니다 그러나이 방법을 사용하면 쓰기가 더 빨리 만들어 질 때 쓰기 전류가 빠르게 증가하며 최근 몇 년 동안 자석을 자석으로 만들기 위해 장치에 전압을 적용했습니다바카라 필승법 이방성참고 7)를 변경함으로써 스핀 주입 쓰기보다 적은 에너지로 정보를 작성할 수 있다고보고했습니다 바카라 필승법 이방성을 실질적으로 사용하기 위해이 방법을 배치하기 위해, 바카라 필승법 이방성 변화의 크기를 증가시켜야한다 지금까지는 자재 이방성의 개선이 재료 검색을 통해보고되었지만 실제 사용에 필요한 특성은 실현되지 않았습니다 따라서 재료를 검색 할뿐만 아니라 다른 원리를 사용하여 바카라 필승법 이방성 변화를 탐색해야합니다

연구 컨텐츠

이 연구에서, 우리는 절연체 (그림 1) 정상적인 MTJ 구조에서 금속 자석 (고정 레이어Note 8)) | 절연체 | 금속 자석 (자유 레이어참고 9)) 3 층 구조, 그러나 우리 구조에서 금속 자석의 양쪽 (자유 층)은 절연체로 둘러싸여 있습니다 이것은 금속 자석 (자유층)과 절연체 사이에서 발생하는 막대한 계면 열 저항을 유발하여 열 확산을 억제하고, 전류가 MTJ를 통한 전류 열로 인해 금속 자석의 온도 상승을 촉진합니다 금속 자석 (자유 층)의 온도가 상승하면 바카라 필승법 이방성이 변해 바카라 필승법 극의 방향이 변경 될 수 있습니다 MTJ에 적용된 전압에서 금속 자석 (자유 층)의 바카라 필승법 이방성을 측정 할 때 전압에 대한 2 차 의존성을 나타내는 것으로 밝혀졌습니다 (그림 2) Joule 열의 크기는 전압의 제곱에 비례 하므로이 결과는 Joule 열로 인한 온도 상승이 바카라 필승법 이방성을 변화 시킨다는 것을 보여줍니다 이 곡선의 기울기는 우리가 찾고있는 바카라 필승법 이방성 변화의 크기에 해당합니다 이 시점에서 얻은 열로 인한 바카라 필승법 이방성의 변화의 최대 값은 300 fj/vm 인 것으로 밝혀졌다 이 크기는 이미보고되었습니다고속이 확인 된 전압으로 인한 바카라 필승법 이방성 변화의 최대 값참고 10)와 비슷하며, 열 확산을 더욱 억제함으로써 미래에 더욱 커질 것으로 예상된다 이 방법은 자화가 고속으로 반전 되더라도 필요한 전압과 전류를 증가시키지 않으며, 고속 자화 반전에도 에너지 절약 기술로 만들 수 있습니다 또한, 열로 인한 바카라 필승법 이방성의 변화는 금속 자석 (자유 층) 전체에서 발생하기 때문에 바카라 필승법 이방성을 변화시키기위한 기존의 방법보다 두께가 더 큰 장치에 적응할 수 있습니다 두께가 큰 자석은 인공 지능 계산을 수행하는 데 필요한 기술이며, 애플리케이션 범위는 인공 지능 하드웨어 및 기타 응용 프로그램으로 확장 될 것으로 예상됩니다

또한, 우리는 이러한 큰 바카라 필승법 이방성 변화를 사용하여 MTJ를 사용하여 마이크로파를 증폭시키는 새로운 현상을 발견했습니다그림 3 (왼쪽 다이어그램)이 현상의 개념적 다이어그램을 보여줍니다 DC 전류가 적용된 MTJ에 전자 레인지가 적용됩니다 입력 전자 레인지는 금속 자석 (자유 층) (빨간색 화살표)의 온도를 약간 진동시킵니다 결과적으로, 바카라 필승법 극의 방향도 진동합니다 바카라 필승법 극 방향의 진동터널 바카라 필승법 적 효과참고 11)이것은 MTJ의 저항을 진동하게합니다 저항과 DC 전류의 진동으로 인해 전압이 진동을 일으키고, 전압의 진동으로 인해 마이크로가 전자 레인지가 발생합니다 결과는 입력 전자 레인지보다 더 큰 반사 전자 레인지입니다전자 레인지 증폭에 대한 이전 연구Note 12)진동 바카라 필승법장을 사용한 실험이보고되었지만, 얻어진 마이크로파 전력 증폭 계수는 0005이고 증폭 현상은 확인되지 않았다그림 3 (오른쪽 다이어그램)주파수 및 외부 바카라 필승법장에 대한 마이크로파 전력 반사의 의존성을 보여줍니다 약 16의 마이크로파 전력 반사율은 50 MT의 외부 바카라 필승법장 및 04GHz의 마이크로파 주파수에서 얻을 수있는 것으로 밝혀졌다 이 결과는 전자 레인지 전력이 입력 전자 레인지에 비해 약 60% 만 증폭되었다는 사실에 해당합니다 이 연구는 Spintronic 장치를 사용하는 마이크로파 증폭 현상을 보여주는 실험이며, 민감도가 높고 출력이 높은 새로운 마이크로파 장치에 대한 반도체 및 응용 프로그램을 능가하는 새로운 특성이 발견 될 것으로 예상됩니다

미래 개발

앞으로, 우리는자를 열로 인한 바카라 필승법 이방성의 변화를 활용하여 바카라 필승법체를 사용한 저전력 인공 지능을 실현하고, 탐지 요소와 같은 마이크로파 요소의 성능 및 바카라 필승법 몸체를 사용한 발진기 요소의 성능을 향상시킬 것입니다

참조 다이어그램

그림 1
그림 1 : 이중 절연체 유형 바카라 필승법 터널 접합의 개념 다이어그램 금속 자석 (자유 층)의 양쪽에 거대한 계면 열 저항의 존재는 열 확산을 억제하여 Joule 열로 인해 온도 상승을 촉진합니다 이 온도 상승은 자유 층 (빨간색 화살표)의 극 방향으로 역학이 발생합니다 검은 색 화살표는 정지상의 바카라 필승법 극의 방향을 나타냅니다

그림 2
그림 2 : MTJ에 적용되는 DC 전압에 대한 자유 층의 바카라 필승법 극의 바카라 필승법 이방성 흑백 사각형은 전압 스윕 방향을 나타내고 빨간색 선은 피팅을 나타냅니다 점선 노란색과 파란색 선은 각각 피팅의 선형 및 2 차 기능 성분을 나타내며, 전자는 과거에 알려진 전압에 선형 인 바카라 필승법 이방성 변화에 해당하며, 후자는 Joule 열에 의해 야기 된 바카라 필승법 이방성 변화에 해당한다

그림 3
그림 3 : 마이크로파가 증폭 된 현상의 개념적 다이어그램 (왼쪽) 및 마이크로파 전력 반사 스펙트럼의 바카라 필승법장 의존성 (오른쪽) DC 전압VDC적용되면 증폭 된 마이크로파가 반사됩니다 이 실험은 50 mt의 외부 바카라 필승법장과 약 04GHz의 주파수에서 16 이상의 마이크로파 전력 반사율을 얻는 데 성공했습니다

특별 노트

이 연구 결과는 2019 년 1 월 4 일에 출판 된 British Scientific Journal "Nature Nanotechnology"(2018 년 11 월 26 일 오후 4시 (UK Time)에 게시 된 온라인 Breaking Edition에 게시됩니다
저널 이름 :Nature Nanotechnology
논문 제목 :“나노 스케일에서 열-스핀 변환에 의해 유도 된 바카라 필승법 터널 접합부에서의 마이크로파 증폭
    "나노 스케일에서 열 스핀 전환에 의해 구동되는 바카라 필승법 터널 접합을 사용한 마이크로파 증폭"
저자 이름 :Minori Goto, Yosuke Wakatake, Ugwumsinachi Kalu Oji, Shinji Miwa, Nikita Strelkov, Bernard Dieny, Hitoshi Kubota, Kay Yakushiji, Akio Fukushima, Shinji Yuasa, Yohishishihishihishihishihishihishihihishihihiki
doi : 101038/s41565-018-0306-9

또한 이러한 결과는 다음 프로젝트 및 연구 프로젝트를 통해 얻었습니다
● 캐비닛 사무실 혁신적인 연구 및 개발 촉진 프로그램 (영향)
"프로그램 관리자 : Sahashi Masaji
R & D 프로그램 : 충전없이 오랜 시간 동안 사용할 수있는 궁극적 인 ECO-IT 장치 실현
R & D 문제 : 전압 효과의 물리적 메커니즘을 설명하고 효율성 향상을위한 지침 설정
연구 및 개발 관리자 : Suzuki Yoshishige
      (오사카 대학교 기본 공학 대학원, 학업 협력 연구 및 교육 센터 교수
연구 기간 : 2014-2018
이 연구 개발 주제에서, 우리는 전압 중심 MRAM을 실현하기 위해 바카라 필승법 이방성의 전압 효과를 연구하고 있습니다

■ Sahashi Masaji 프로그램 관리자 의견 ■

Sahashi Masaji의 사진충격 Sabashi 프로그램은 궁극적 인 친환경 IT 장비를 실현하기 위해 전압 중심 MRAM [프로젝트 리더 : Yuasa Shinji (Advanced Industrial Science and Technology)]의 개발에 노력하고 있습니다 이번에는 Osaka University와 바카라 커뮤니티의 "제한된 열로 인한 메모리 층 자화 (자석 기둥)의 고속 및 고속 자기 극 제어가 전압 중심 MRAM의 성능을 향상시키는 데 유리할 것입니다 이는 전압 중심 MRAM의 발달에 가장 중요한 요소 인 전압으로 인한 자기 이방성 변화의 크기를 결정하는 전압 효과가 메모리 층에 갇힌 열을 사용하여 증가 할 수 있다는 새로운 결과를 제공합니다 또한,이 연구의 결과는 AI 하드웨어의 전력 소비를 낮추고 마이크로파 발진기 장치의 효율이 높아질 것으로 예상 될 수 있습니다 우리는 앞으로 자기 재료를 사용하여 저전력 인공 지능을 실현하고 탐지 요소 및 자기 재료를 사용한 발진기 요소와 같은 마이크로파 요소의 성능을 향상시키기를 바랍니다



용어집

참고 1) IoT
사물 인터넷의 약어이며, 인터넷이 다양한 것들에 연결되어 서로 정보를 교환하여 서로를 통제하는 (따라서 사회를 실현하는) 메커니즘을 나타냅니다[참조로 돌아 가기]
참고 2) AI
인공 지능 (인공 지능)에 대한 약어 그것은 컴퓨터를 사용한 인간 지적 능력 (예 : 언어 이해, 추론, 학습 및 문제 해결과 같은) 및 연구 분야를 인위적으로 실현하는 기술을 말합니다[참조로 돌아 가기]
참고 3) Spintronics
전자의 전기적 특성 및 바카라 필승법 특성 (스핀)을 능숙하게 활용하여 새로운 기능을 갖춘 전자 장치를 만드는 것을 목표로하는 학업 및 기술을 말합니다 일반적인 전자 장치에는 하드 디스크 드라이브의 읽기 헤드와 주 4에 설명 된 MRAM이 포함됩니다[참조로 돌아 가기]
참고 4) 바카라 필승법 랜덤 액세스 메모리 (Magnetoresistive Random Access Memory : MRAM)
이것은 메모 5에 설명 된대로 MTJ의 바카라 필승법 극 방향에 따라 정보를 기록하는 메모리입니다 기존 반도체 메모리, 동적 랜덤 액세스 메모리 (DRAM)가 꺼져있을 때 정보가 손실되면 MRAM은 전원이 꺼지더라도 장점이 유지되므로 정보가 손실되지 않는다는 이점이 있습니다[참조로 돌아 가기]
참고 5) 바카라 필승법 터널 정션 (바카라 필승법 터널 정션 : MTJ)
17260_17375[참조로 돌아 가기]
참고 6) 스핀 주입
전자 제품은 바카라 필승법 특성 (스핀)을 가지며 작은 자석으로 작동합니다 바카라 필승법 극 방향으로 전자의 흐름을 스핀 주입이라고합니다 전류가 MTJ를 통과 할 때, 자석의 전자는 하나의 자석에서 절연체를 통해 다른 자석으로 정렬되어 스핀 주입을 유발합니다 MTJ 자석은 흐르는 전자의 자석과 상호 작용하여 MTJ 자석의 바카라 필승법 극의 방향을 제어 할 수 있습니다[참조로 돌아 가기]
주 7) 바카라 필승법 이방성
그것은 특정 방향으로 배향 될 수있는 자석의 바카라 필승법 극을 의미합니다 이 논문에 설명 된 바카라 필승법 이방성은 MTJ의 박막 표면에 수직 인 방향으로 향할 가능성이있는 바카라 필승법 이방성의 크기를 논의한다 우리 그룹은 전압으로 바카라 필승법 이방성을 변화시키고 고속에서 바카라 필승법 극의 방향을 제어하는 연구를보고했습니다 (t 마루야마et al, Nat 나노 테크놀,4, 158 (2009), Y Shiotaet al, Nat Mater, 11, 39 (2012))[참조로 돌아 가기]
참고 8) 고정 레이어
MTJ의 고정 층은 바카라 필승법 극의 방향을 변화시키기 어려운 자석을 의미합니다[참조로 돌아 가기]
참고 9) 프리 레이어
MTJ의 자유 층은 바카라 필승법 극의 방향이 변할 가능성이있는 자석을 의미합니다[참조로 돌아 가기]
참고 10) 고속이 확인 된 전압으로 인한 바카라 필승법 이방성 변화의 최대 값
전압으로 인한 전압으로 인한 바카라 필승법 이방성의 변화에 반응하는 빠른 현상과 1 초의 백만 분 이상의 응답 속도에 반응하는 느린 현상, 그리고 이번에 얻은 마이크로 웨이가 빠른 Phenomenon에 해당하는 페 노모 이전의 연구는 전압으로 인한 바카라 필승법 이방성 변화의 고속을 확인했습니다 (예 : 약 320 FJ/VM)t 노자키et al, NPG 아시아 Mater, 9, e451 (2017))[참조로 돌아 가기]
참고 11) 터널 바카라 필승법 저항 효과
이 현상은 MTJ에서 두 개의 자석의 바카라 필승법 극의 상대적 각도에 따라 전기 저항이 변화하는 발생합니다[참조로 돌아 가기]
Note 12) 전자 레인지 증폭에 대한 이전 연구
바카라 필승법 극을 진동하여 마이크로 레인지의 진동 바카라 필승법장을 사용하여 마이크로 레인지를 증폭시키려는 이전 연구가보고되었습니다 이 실험은 마이크로파 전력을 조절할 수 있었지만 마이크로파는 증폭되지 않았습니다 (k Konishiet al, Appl 물리 레트 사람, 102, 162409 (2013))[참조로 돌아 가기]



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