Le apparecchiature elettroniche che dominano la nostra vita quotidiana hanno sempre più bisogno di memoria: smart-phone, tablet, iPad non sono solo degli strumenti di comunicazione ma sono tutti dei veri elaboratori che richiedono quindi una crescente dimensione della memoria RAM (Random Access Memory), quella che registra temporaneamente i dati durante l’esecuzione dei software. Naturalmente, di tanta memoria hanno bisogno tutti i laptop, i computer e i grandi data center. Ecco allora che dai laboratori della Henry Samueli School of Engineering and Applied Science della Università della California di Los Angeles (UCLA) arriva una novità che può dare sollievo a tutti i grandi affamati di memoria.
Si tratta di un tipo di RAM detta magnetoelettrica (MeRAM) che ha grandi potenzialità e potrà essere utilizzata nei futuri chip di quasi tutte le applicazioni elettroniche. Questi i principali vantaggio della MeRAM rispetto alle tecnologie esistenti: una combinazione straordinaria di basso consumo energetico e densità molto elevata, un’alta velocità nei tempi di lettura e scrittura, e la non volatilità, cioè la capacità di conservare i dati anche quando non è alimentata, così come fanno gli hard disk e le memorie flash, solo che le MeRAM sono molto più veloci.
Ma perché magnetoelettrica? Il nuovo tipo di memoria è basato su una tecnologia chiamata coppia di trasferimento di spin (spin-transfer torque, STT), che utilizza la proprietà magnetica degli elettroni – lo spin, dato dalla loro rotazione – oltre alla loro carica; la tecnologia STT attualmente utilizza una corrente elettrica per spostare elettroni e “scrivere” i dati nella memoria. La STT è superiore in molti aspetti alle tecnologie di memorizzazione concorrenti; tuttavia il suo meccanismo di scrittura basato sulla corrente richiede ancora una certa quantità di energia, il che significa che genera calore durante la scrittura dei dati. Inoltre, la sua capacità di memoria è limitata da quanto vicini tra loro possono essere fisicamente collocati i bit, un processo che è limitato anch’esso dalle correnti necessarie per scrivere le informazioni. La bassa capacità di bit, a sua volta, si traduce in un costo relativamente grande per bit, limitando la gamma di applicazioni delle attuali STT.
Nelle MeRAM, il team dell’UCLA ha sostituito la corrente con la tensione per scrivere i dati nella memoria: cioè viene utilizzata la differenza di potenziale elettrico per commutare i bit magnetici e registrare così le informazioni nella memoria. Ciò elimina la necessità di spostare un gran numero di elettroni attraverso i fili e di conseguenza porta a memorie che generano molto meno calore, rendendo i computer da dieci a mille volte più efficienti energicamente. Inoltre la memoria può essere più di cinque volte più densa, con più bit di informazioni memorizzati nella stessa area fisica, il che abbassa anche il costo per bit.
La ricerca è stata illustrata recentemente a San Francisco in uno studio intitolato “Voltage-Induced Switching of Nanoscale Magnetic Tunnel Junctions” presentato all’annuale Meeting della IEEE International Electron Devices, il principale forum delle innovazioni tecnologiche nel settore dei semiconduttori e dei dispositivi elettronici. Il gruppo di ricerca è stato guidato da Kang L. Wang, Raytheon Professor di ingegneria elettrica alla UCLA, e comprendeva gli ingegneri elettrici Juan G. Alzate e Pedram Khalili, quest’ultimo responsabile dei programmi di ricerca UCLA-DARPA sulle logiche non-volatili.
Gli autori sono convinti che la possibilità di commutare magneti su scala nanometrica utilizzando la tensione sia una prospettiva interessante e in rapida crescita; la loro ricerca in effetti offre una nuova comprensione di diversi aspetti: come la modalità di controllo della direzione di commutazione tramite impulsi di tensione, o la sicurezza che i dispositivi funzionino senza bisogno di campi magnetici esterni, o ancora come integrarli in array di memoria ad alta densità. «Una volta sviluppata in un prodotto – dicono – il vantaggio della MeRAM rispetto alle altre tecnologie non sarà limitato alla sua minore dissipazione di energia ma avrà l’altro importante risultato di ottenere RAM molto dense; il che può aprire nuove aree di applicazione in cui il basso costo e l’alta capacità sono i vincoli principali”.
Dato il riferimento allo spin, questi dispositivi vengono chiamati spintronici; il loro funzionamento con bassissimo dispendio energetico fa intravedere potenziali implicazioni anche al di là del settore delle memorie. Si può pensare infatti di attivare nuovi sistemi elettronici cosiddetti instant-on, in cui la memoria è integrata con la logica e l’elaborazione, eliminando così completamente l’alimentazione di standby e migliorando notevolmente la funzionalità.