Спинтроника: за чем дело стало?

Верой и правдой служит электрический заряд человечеству, обеспечивая работу полупроводниковых электрических систем, уже почти 80 лет — если отсчитывать время его пребывания на посту с конца 1947 года, когда Уолтер Браттейн (Walter H. Brattain) и Джон Бардин (John A. Bardeen) под руководством Уильяма Шокли (William B. Shockley) из Bell Telephone Laboratories не просто обнаружили транзисторный эффект, но разработали и продемонстрировали первый в мире германиевый транзистор с точечным контактом. Сравнительно скоро это привело к развитию поистине революционных полупроводниковых вычислительных систем, куда проще изготавливаемых и надёжнее работающих (если сравнивать с доминировавшими прежде в качестве аппаратных основ компьютеров реле, радиолампами и т. д.), да ещё и непрерывно эволюционирующих в направлении роста плотности расположения их составных частей — тех самых транзисторов — на поверхности кремниевого кристалла при одновременном снижении их себестоимости; см. пресловутый «закон Мура».

Реплика первого в мире германиевого транзистора, изготовленного в Bell Telephone Laboratories; довольно быстро германий уступил позицию основного «вычислительного» полупроводника куда более распространённому и простому в обращении кремнию (источник: Wikimedia Commons)

Суть классических полупроводниковых вычислений крайне проста: бинарные сигналы — «логический 0» и «логическая 1» — кодируются определёнными уровнями электрического напряжения; грубо говоря, низким и высоким. Такие сигналы поступают на входы элементарных логических схем (вентили «И-НЕ», «исключающее ИЛИ» и проч.), где обрабатываются по правилам булевой алгебры. А далее из вентилей строятся схемы более высокого уровня — реализующие, скажем, умножение чисел с плавающей запятой, тригонометрические функции и многое другое. И не было бы печали, если бы к началу XXI века в серийно изготавливаемых полупроводниковых микросхемах уже не начали бы проявлять себя стохастические эффекты одиночных электронов — пусть пока в умеренных количествах (и, спасибо развитым средствам коррекции ошибок, без особого воздействия на точность работы процессоров), но всё же. Чем миниатюрнее становятся элементы полупроводниковых транзисторов, тем сложнее уверенно контролировать перенос электрического заряда через них. Но ведь у электрона, помимо элементарного электрического заряда, есть другая важнейшая характеристика — собственный момент импульса, спин, который к тому же может принимать строго одно из двух фиксированных значений; условно, «+1» или «−1», «спин вверх» или «спин вниз». И при определённых условиях между этими состояниями элементарная частица способна переключаться. Чем не подходящий вариант для организации уже привычных логических вентилей, а на их основе — и более сложных схем, только уже с использованием не электрических зарядов переносимых довольно обширными партиями частиц, а спиновых свойств отдельных электронов? Так, надо полагать, и скорость вычислений удастся разительно повысить, и затраты энергии на каждую элементарную операцию сократить!

⇡#Крутится-вертится

Манипулирование спином электронов в качестве средства хранения и обработки информации как подраздел электроники сформировалось всего-то три десятка лет назад: саму концепцию предложили С. Ф. Альварадо (S. F. Alvarado) и Б. Т. Толе (B. T. Thole) в опубликованной в 1966-м в Journal of Applied Physics статье, а термин «спинтроника» ввёл в широкий оборот Джеймс М. Байерс (James M. Byers) в работе, появившейся в 1999 году на страницах Physics Today. Да и научная основа спинтроники, прямо скажем, достаточно свежа: Отто Штерн (Otto Stern) и Вальтер Герлах (Walther Gerlach) лишь в 1922-м провели знаменитый эксперимент с раздвоением пучка электронов в магнитном поле, заставивший заподозрить наличие у этих частиц неведомого прежде фундаментального свойства. Причём только в 1925-м полученный Штерном и Герлахом результат получил объяснение — исходя из гипотезы о наличии у электрона собственного углового момента, которую выдвинули Самуэль Гудсмит (Samuel A. Goudsmit) и Джордж Уленбек (George E. Uhlenbeck). Грубо говоря, на электрон взглянули как на вращающийся (не только обращающийся вокруг атомного ядра, пока он в составе атома, а именно вращающийся вокруг собственной оси) электрически заряженный волчок и сообразили, что такое движение по всем канонам электромагнетизма обязано порождать магнитное поле.

Схема эксперимента Штерна–Герлаха: пучок нейтральных атомов серебра пропускается сквозь щель, образованную полюсами сильного магнита. Из 47 электронов каждого такого атома 46 образуют симметричную структуру (с попарно разнонаправленными спинами), и лишь один, самый внешний, вносит дополнительный вклад в орбитальный угловой момент всего атома целиком. Если бы спин не был квантовым эффектом — условная ось собственного вращения электрона могла бы ориентироваться в пространстве как угодно, — на выходе из щели атомы рассеивались бы равномерно. Однако спин квантуется, принимая одно из строго двух возможных значений вдоль заданного конструкцией установки направления, и потому экспериментаторы увидели на экране за магнитом ровно две точки (источник: Wikimedia Commons)

История открытия спина упомянута здесь исключительно для того, чтобы ввести это понятие по аналогии: заряженный металлический шарик, вращаясь, будет создавать циркулярный ток, а тот, в свою очередь, произведёт магнитный момент. Электрон — квантовый объект — не вращается в механическом смысле, его нельзя «притормозить» или «остановить». Именно поэтому спин и этих частиц, и более сложно устроенных (протонов, скажем, с которыми в этом плане вообще всё непросто) — величина, точного аналога в макроскопическом мире попросту не имеющая. Мы уже затрагивали тему спинов в материале, посвящённом магниторезистивной памяти (MRAM), где довольно подробно рассмотрели положение дел на этом направлении прогресса высоких технологий. Но памяти самой по себе для организации вычислений недостаточно (оставим пока в стороне тему in-memory computing); необходимы логические вентили и более сложные контуры для реализации булевых операций. По этой причине логическая спинтроника становится с течением времени всё более насущной областью исследований, ведь полупроводниковую электронику чем дальше, тем сложнее и дороже оказывается совершенствовать. Пока что огромная инерция её развития, набранная за много десятилетий, позволяет, пусть и с потерей темпов, уверенно продвигаться вперёд. Но уже вряд ли больше 10−15 лет отделяет человечество от того момента, когда разработка, постройка и пусконаладка очередного классического фотолитографа с условным Beyond-EUV-источником излучения примерно сравняется по себестоимости с изготовлением машины для выпуска вычислительных микросхем на отличных от полупроводникового принципах, выдающих в ходе эксплуатации примерно ту же производительность. Принципов таких развивается сегодня немало — достаточно упомянуть весьма перспективную фотонику, — но у спинтроники есть целый ряд вполне весомых преимуществ в споре за звание преемницы полупроводниковой микроэлектроники.

И едва ли не важнейшее из этих преимуществ — возможность опоры, пусть частичной, на уже наработанное инженерами-микроэлектронщиками богатейшее наследие. Ведь электроны выступают носителями заряда, путешествуя по контурам полупроводниковых микросхем, — но у тех же самых электронов имеется спин, манипуляции с которым открывают дорогу вычислениям в рамках концепции спинтроники. А значит, работать исследователям придётся не с другими частицами (как с квантами электромагнитного излучения в случае фотоники), а с давно привычными, — и это большой плюс. Тем более что нынешняя повальная увлечённость генеративными моделями искусственного интеллекта безжалостно обнажает самую уязвимую сторону классических микроэлектронных систем, а именно — архитектуру фон Неймана, на которой те до сих пор базируются. Ключевая парадигма этой архитектуры — физическое разнесение контуров обработки информации и среды её хранения — особенно болезненно сказывается на ИИ-вычислениях, поскольку актуальные большие языковые модели с триллионами рабочих параметров неимоверно страдают от высоких задержек в процессе передачи данных из памяти в вычислительные ядра и обратно. Спинтроника, как уже упоминалось, потенциально куда лучше полупроводниковой электроники подходит для реализации нейроморфных вычислительных архитектур, ведь она уже неплохо справляется с хранением данных — а в перспективе (не слишком далёкой, будем надеяться) позволит и производить вычисления прямо в этой же самой памяти, без порождения дополнительных задержек.

Пластина-заготовка с выполненными на ней серийными чипами памяти SOT-MRAM (источник: TSMC, ITRI)

⇡#Некогда объяснять, все в туннель!

Когда электрон эксплуатируется в классической полупроводниковой схеме как носитель элементарного электрического заряда, принципиальных проблем с формированием «логических 0» и «логических 1», как и последующим проведением операций над ними, нет: затруднения начинаются лишь при сверхминиатюризации, и провоцирует их появление необходимость принимать в расчёт квантовые эффекты. Заряд же, протекающий по шине данных внутри современной микросхемы, в любом случае формируют сотни, если не тысячи электронов. Этот процесс вполне можно считать макроскопическим, пусть и с определёнными погрешностями, применяя к нему соответствующие законы и технологии. Со спином отдельного электрона ситуация принципиально иная: это величина безо всяких оговорок квантовая, и, чтобы научиться ею управлять — переводить по определённым правилам из одного состояния в другое, реализуя уже упомянутые логические вентили, скажем, — приходится потрудиться. Собственно, причина, по которой магниторезистивная память уже довольно уверенно отвоёвывает себе место в соответствующем сегменте глобального ИТ-рынка, а базирующиеся на спинтронике процессоры пока толком не вышли из лабораторий, в том и заключается, что менять «0» на «1» посредством магнитного туннельного перехода (magnetic tunnel junction, MTJ) инженеры уже неплохо научились, а вот с реализацией спинтронных логических вентилей дела пока идут не слишком гладко.

Напомним, что ядро MTJ представляют собой два ферромагнетика, опорный и свободный слои, разделённые тонкой изолирующей прокладкой, сопротивление которой зависит от относительной ориентации векторов намагниченности по обе стороны от неё: в опорном слое этот вектор фиксирован, в свободном может изменяться. Замер величины электрического сопротивления такой ячейки показывает, параллельны или антипараллельны векторы намагниченности в двух этих слоях. По мере развития технологий от описанной здесь базовой спинтронной ячейки, toggle MRAM, в 2010-х перешли к более привлекательной по своим рабочим параметрам магниторезистивной памяти на основе эффекта передачи спинового момента (spin torque transfer, STT-MRAM), и вплотную подступились к созданию гибридных КМОП-спинтронных интегральных схем — благо отработанные на привычных полупроводниковых чипах методы серийного производства пригодны и для формирования ячеек STT-MRAM, а также ещё более прогрессивной, опирающейся на спин-орбитальное взаимодействие SOT MRAM. Собственно, известный нашим читателям нейроморфный чип Intel Loihi 2 как раз и представляет собой гибридный КМОП-спинтронный вычислитель, который за счёт памяти MRAM потребляет примерно на треть меньше энергии, чем классические компьютеры сопоставимой мощности, при решении аналогичных задач.

Гибридные нейроморфные чипы на поток уже поставлены — дело за вычислительными системами на базе одной только спинтроники (источник: Intel)

Если бы удалось создать эффективно действующие логические схемы на основе спинтронных элементов, это открыло бы поистине необъятные перспективы для всё того же ИИ: интеграция с MRAM на едином кристалле позволила бы не просто избежать «бутылочного горлышка» между процессорами и ОЗУ в фоннеймановских системах, но напрямую реализовывать вычисления в памяти. Увы, спинтронная логика продолжает пока что оставаться на уровне концептуальных разработок: до сих пор не появлялось сообщений ни об одной успешно работающей логической схеме, которая содержала бы сколько-нибудь значительное число спинтронных вентилей, да и сами эти вентили реализуются в лабораториях пока что лишь как подтверждение различных теоретических концепций — не отличаясь ни скромностью занимаемой площади, ни ничтожным энергопотреблением. Многие исследователи утверждают даже, что пока у занимающихся спинтроникой энтузиастов не сложилось исчерпывающе полного осознания всех стоящих перед ними препятствий — и как раз по этой причине говорить о сколько-нибудь скором появлении первых работоспособных спинтронных вычислителей не приходится.

А жаль: учитывая, насколько ведущие разработчики больших языковых моделей страдают от ограничений фоннеймановского подхода к эмуляции нейросетей, можно было бы ожидать от такого рода потенциальных заказчиков весьма щедрых инвестиций в направление, обещающее кардинальную смену вычислительной парадигмы — в смысле резкого роста как энергоэффективности, так и производительности. Но пока что даже показать толком таким инвесторам хоть что-то подлинно работоспособное разработчики не готовы. Стараются же исследователи, отметим справедливости ради, изо всех сил: только за последние годы было намечено сразу несколько теоретических подходов к реализации спинтронной логики, основанных на доменных стенках, хирально связанных наномагнитах, хиральных магнитных солитонах, спиновых волнах и магнитоэлектрических соединениях. Правда, такие подходы страдают от целого ряда общих для всех них проблем — но когда, спрашивается, технический прогресс развивался беспроблемно?

Концепция электрически управляемой логики доменных стенок. (a) Базовый MTJ, применяемый для возведения (записи) доменных стенок на входах посредством туннельного переноса заряда и обнаружения (считывания) доменных стенок на выходах на основе туннельного магнетосопротивления. (b) Домены можно перемещать путём инжекции тока в металл, контактирующий с магнитной плёнкой. (c) Схема мажоритарного клапана — логического устройства с тремя входами и одним выходом — на основе доменных стенок. (d) Изображение наноразмерного спинтронного вентиля на доменных стенках, изготовленного на стандартной 300-мм пластине, которое получено с помощью просвечивающей электронной микроскопии (источник: IMEC)

⇡#Спины на распутье

В основе принципа действия логических вентилей на основе спинтроники с доменными стенками лежит формирование, перемещение и взаимодействие самих магнитных доменных стенок (границ между областями намагниченности) внутри наноразмерных проводящих шин. Для кодирования данных используют направление намагниченности (точнее, хиральности, поскольку речь идёт о спиновом эффекте, а спин — аналог собственного вращения макроскопического объекта) доменных стенок. Стенки же, в свою очередь, не зафиксированы на одном месте, а сдвигаются внутри шины определённым образом под действием управляющего электрического тока — через эффект передачи спинового момента (spin-transfer torque — того самого, что находит применение в уже упоминавшейся STT-MRAM) или спин-орбитального взаимодействия (spin-orbit torque, на котором основана SOT-MRAM). Очень важно, что такие вентили обеспечивают энергонезависимое сохранение данных, практически нулевой ток утечки, а главное — возможность интеграции логики и памяти; те самые вычисления in-memory computing, отсутствие полномасштабной практической реализации которых так болезненно сдерживает экстенсивный прогресс больших языковых моделей. Функциональные вентили на доменных стенках, такие как NAND и NOR, уже реализуются в лабораториях ETH Zurich, IMEC и ряда других институтов: как экспериментальные элементы, конечно, — но на вполне приемлемом с производственной точки зрения уровне миниатюризации.

Хирально связанные наномагниты — это магнитные структуры, в которых соседние домены с ортогональной намагниченностью (в плоскости и вне плоскости) прочно связаны посредством межфазного взаимодействия Дзялошинского–Мории (Dzyaloshinskii–Moriya interaction, DMI). Кстати, это взаимодействие ответственно за возникновение под воздействием магнитного поля в тонких проводящих плёнках топологически устойчивых наноразмерных завихрений, называемых скирмионами (они же хиральные магнитные солитоны), — которые, словно элементарные частицы, способны перемещаться под действием внешних полей и взаимодействовать. На основе скирмионов, таким образом, возможно как хранение данных, так и формирование вентилей для вычислительной логики, — эту тему развивают, в частности, в лаборатории «Магнитные метаматериалы» Саратовского университета. В спинтронных логических элементах хиральный механизм служит основой для «беговой логики» (racetrack logic) доменных стенок: информация кодируется не в частицах или квазичастицах, а в состояниях намагниченности (хиральности) самих этих доменных стенок. Швейцарские исследователи из ETH Zurich создали на этой основе реконфигурируемые вентили NAND и NOR, а также более сложные схемы вплоть до полных сумматоров — управляя доменными стенками путём приложения к ним электрических токов.

Динамика намагничивания при распространении спиновой волны: (a) траектория намагничивания определяется комбинацией двух магнитных моментов, прецессионного и отвечающего за затухание; (b) схематическое изображение спиновой волны в двумерной решётке магнитных моментов: в верхней части — вид сверху на первый ряд решётки, ниже — вид сбоку на всю двумерную решётку (источник: doi.org/10.1063/5.0019328)

Спиновая волновая спинтроника, она же магноника, вместо электрических токов полагается для передачи и обработки информации, как и следует из её названия, на спиновые волны — то бишь на коллективные колебания спинов электронов. С точки зрения энергоэффективности это, пожалуй, наиболее привлекательное направление, поскольку тепловое рассеяние энергии в процессе прохождения по материалу спиновой волны минимально — а значит, на каждый затраченный джоуль спин-волновой вычислитель произведёт (в теории) значительно больше операций, чем построенные на других принципах схемы. Для кодирования битов можно использовать фазовую или амплитудную модуляцию спиновых волн, а логические операции выполняются — подобно тому, как это реализовано для фотоники, — посредством интерференции волн; только спиновых, а не электромагнитных. Помимо сверхнизкого энергопотребления, магноника привлекательна ещё и высокой частотой — гигагерцы не предел — и возможностью миниатюризации достаточно крупных вычислительных контуров до нанометрового масштаба, поскольку интерференция спиновых волн происходит в чрезвычайно малом объёме.

Наконец, магнитоэлектрическая спинтронная логика (это, впрочем, не последний из перспективных путей развития прикладной спинтроники, — просто остальные ещё менее проработаны на данный момент) полагается на магнитоэлектрический эффект для управления магнитными состояниями с помощью электрических полей. Магнитоэлектрическая спин-орбитальная логика (magnetoelectric, spin-orbit-coupled logic — MESO logic) сочетает магнитоэлектрическое переключение со спин-орбитальной связью: направление намагниченности меняется за счёт приложенного напряжения, порождая электрический заряд — который далее фиксируется как «логический 0» или «1». Здесь также крайне невелик нагрев (речь идёт о единицах аттоджоулей, 10⁻¹⁸ Дж, тогда как одиночная активация транзисторного затвора в современных КМОП-процессорах «стоит» от 100 аДж до десятков фемтоджоулей), да вдобавок открываются неплохие перспективы для in-memory computing — ведь магнитные состояния сохраняют данные без постоянной подачи напряжения.

Международная группа исследователей CIC nanoGUNE успешно осуществила переключение намагниченности и считывание показаний MESO-наноустройств, используя преобразование спинового тока в зарядовый. Полученный ими транзистор конструктивно похож на кремниевый, но составлен из иных материалов и работает за счёт обратимости намагниченности ферромагнитного материала — сплава кобальта и железа (источник: Nature Communications)

Что же мешает ускоренному продвижению спинтроники по перечисленным направлениям — и по целому ряду других, не затронутых нашим кратким обзором? Целый сонм причин, и первая в их числе — банальная нехватка понимания того, как именно в том или ином случае эффективно создавать отличные от мажоритарных клапанов логические вентили. Сами эти клапаны — логические элементы со множеством входов и одним выходом, которые работают по принципу «голосования», передавая далее «0» или «1» в зависимости от того, какие принятые ими сигналы оказались в большинстве, — в рамках спинтроники реализуются без особых усилий. А вот дальше начинаются сложности: к примеру, инвертор или вентиль XOR весьма непросто реализовать в логике на основе доменных стенок. Следующая проблема посерьёзнее: она связана с каскадированием, разветвлением и контролем целостности сигнала. Для электрического тока все эти операции реализуются тривиально (поскольку выполнены законы Кирхгофа), а вот развести на две параллельные «шины» (два логических конвейера) исходное состояние намагниченности — задачка весьма и весьма нерядовая. Обычно для этого требуются дополнительные схемы преобразования и усиления сигналов, которые нуждаются в добавочной мощности, добавляют задержки по времени и занимают немалую площадь, — что ощутимо снижает эффективность спинтронных вычислителей. Вдобавок для некоторых архитектур (со спиновыми волнами, например) спиновый ток довольно заметно затухает даже в коротких межсоединениях, что ещё более затрудняет управление последующими вентилями без регенерации сигнала.

Ну и сами по себе межсоединения для спинтроники — буквально нож острый: чем больше схема требует преобразователей между спином (магнитным моментом) и электрическим зарядом и/или обратно, тем ощутимее энергопотери. Эффективность одиночного такого преобразования обнаруженными до сих пор методами крайне невелика — на уровне 0,1%. Для доменных стенок или спиновых волн эта проблема менее актуальна, но чем сложнее логическая схема, тем больше потребуется уже чисто магнитных межсоединений — а те, как уже говорилось, нуждаются в усилителях сигнала. Бороться с этим можно, конечно, — вместо разветвления одного сигнала использовать несколько параллельных каналов, скажем, — но это тоже так себе выход: площадь и энергопотребление схемы вырастут, а инженерный дизайн микросхем для спинтроники неимоверно усложнится.

Фотография тестовых гибридных чипов с элементами спинтроники и КМОП, изготовленных на кремниевой подложке с использованием регулярных технологий производства полупроводниковых интегральных схем (источник: Tohoku University)

И всё же работы по этому направлению продолжаются: успехи памяти MRAM вдохновляют тех, кто стремится дополнить средства хранения на основе спинтроники логическими контурами. Усовершенствованная MRAM на базе эффекта переноса спинового момента (STT-MRAM) обеспечивает энергию записи всего 0,3–0,4 пДж/бит с ресурсом более 10¹² циклов — для полупроводниковых систем хранения это невообразимые величины. Кроме того, раз уж спинтроника вдохновляет ИИ-разработчиков, какой смысл пытаться дублировать ею полупроводниковые контуры? На упомянутых чуть выше мажоритарных клапанах отменно реализуются операции взвешенного суммирования — ключевые для работы нейросетей. А вот и подтверждение тому: в мае 2026 года в рамках сотрудничества между Университетом Тохоку и NIST была продемонстрирована первая в мире интегрированная спинтронная вероятностная битовая (p-битовая — от probabilistic bit) технология на кремниевом чипе с использованием 130-нм КМОП-процессов. Этот прорыв, как утверждают разработчики, открывает путь к масштабируемым p-компьютерам, оптимизированным для задач искусственного интеллекта и машинного обучения, слишком ресурсоёмких для фоннеймановских систем. Так что, вполне вероятно, новостей из мира спинтроники в ближайшие годы будет поступать всё больше: погружаться в эту область всерьёз исследователи, можно сказать, только начали, а стало быть, и открытий там можно ожидать куда более значительных, чем в досконально изученной и практически уже выработанной области привычных всем нам полупроводниковых вычислителей.