Memória Spintrônica

3 fev

Quando os elétrons deixam de ser percebidos apenas como carga elétrica, avanços significativos são possíveis na tecnologia de armazenagem e acesso a dados.

Quanto tempo leva para seu computador inicializar? Desde o momento em que você aperta o botão da energia até o seu sistema estar completamente funcional, provavelmente alguns minutos são “perdidos” olhando para a tela sem fazer nada, não é mesmo?

Imagine agora como seria apertar esse mesmo botão liga/desliga e instantaneamente seu computador voltar à ativa. Melhor ainda, não só o sistema boota na hora, como o programa que você estava usando quando o desligou retorna ao mesmo tempo, com o documento em que trabalhava já aberto, no exato ponto onde você parou. Parece bom, concorda?

Liga/desliga

Pois é isso que a memória spintrônica (contração de spin – rotação – e eletrônica) pretende trazer à informática. Através de uma maneira diferente de armazenar a informação – usando características próprias dos elétrons ao invés do campo magnético formado por eles – os componentes spintrônicos prometem velocidade e confiabilidade nunca antes vistas.

Como é hoje

Quando se fala em memória de computadores, imediatamente a sigla RAM (Random Access Memory – memória de acesso aleatório) vem à mente. Entre os tipos de memória RAM, dois são os essenciais: DRAM (Dynamic random access memory – memória dinâmica de acesso aleatório) e SRAM (Static random access memory – memória estática de acesso aleatório).

A memória DRAM é barata, de grande capacidade e baixo consumo energético, porém exige a reposição frequente de cargas para que a informação não se perca. A SRAM é estruturalmente mais complexa – e portanto mais cara – mas oferece velocidade de leitura superior e – enquanto mantida a alimentação – independe de reposição de cargas.

Placa-mãe

No seu computador você encontra os dois tipos de memória. Os caches L1 e L2 da sua placa-mãe são compostos por elementos de memória SRAM, enquanto a DRAM é usada nos pentes de memória.

Elétrons por toda parte

É aqui que a spintrônica aparece como grande inovação. Independente da estrutura e de seu uso, tanto a memória DRAM quanto a SRAM , citadas acima, utilizam a existência ou não de elétrons – ou carga elétrica – como ponto de partida para a definição binária: os famosos 0 e 1 da eletrônica.

A combinação de espaços 0 (sem carga) e 1 (carregados) gera sequências que, depois de processadas, são interpretadas como textos, imagens, vídeos e sons. Já a memória spintrônica – também chamada de MRAM (Magnetic random access memory – memória magnética de acesso aleatório) – interpreta o 0 e o 1 binários a partir da direção de rotação do elétron.

Para entender melhor o que é isso, é preciso voltar à química do ensino médio. Os elétrons são parte dos átomos que compõem tudo que existe no universo perceptível. São dotados de massa, carga elétrica e spin. Massa e carga são grandezas facilmente compreendidas, uma vez que são comumente observadas no dia a dia, enquanto esse tal de spin pode dar um nó na cabeça de muita gente.

Modelo planetário do átomo Mesmo assim, a compreensão disso pode ser simplificada. Se o átomo “tem cara” de sistema solar, uma analogia planetária pode servir para exemplificar o spin de um elétron. Pensando no núcleo como a estrela do sistema e os elétrons como planetas, é fácil imaginar que alguns desses planetas girem da esquerda para a direita enquanto outros seguiriam a rotação contrária, certo?

Pois essas duas direções de rotação dos elétrons – mesmo quando fora do “sistema solar” do átomo – são chamadas spin. Por convenção, chama-se a rotação da esquerda para a direita de positiva, e sua contraparte de negativa.

Serviço magnético

Entendido o spin, lembra-se de que foi dito que a MRAM interpreta 0 e 1 a partir da direção de rotação do elétron? Seu professor de física deve ter ensinado que toda carga elétrica gera campos magnéticos.

Disso pode-se inferir que memórias comuns – SRAM e DRAM – atuam interpretando a existência ou ausência de campo magnético (aliás, isso também vale para fitas magnéticas e discos rígidos), certo?

Porém os sensores utilizados nos elementos de um computador têm uma sensibilidade limitada pelo seu tamanho reduzido. Isso significa que o campo magnético gerado por essas cargas deve ter uma força mínima para serem interpretados, e essa carga só pode ser gerada por certa quantidade de elétrons.

Como elétrons possuem massa – mesmo que ela seja infinitamente pequena, como seu professor de química devia repetir milhares de vezes durante as aulas – eles também ocupam espaço.

Para juntar quantidades de elétrons suficientes para formar o campo magnético, o espaço destinado a eles na superfície do chip ou do disco tem que ser suficiente para acomodá-los corretamente.

HD

Já os sensores capazes de diferenciar um campo de spin positivo do campo de spin negativo são muito mais sensíveis, o que permite posições de alocação muito menores. É assim que discos rígidos de 1 TB são vendidos nos mesmos tamanhos físicos que os HDs de 64 MB dos anos 90, por exemplo.

Amazon Kindle

Deixando ainda mais claro: pense em uma tela e-Ink, como a do Kindle. Nela existem pequenas esferas com um lado branco e outro preto. Ao fazer passar corrente pela grade onde essas bolinhas estão distribuídas, algumas giram deixando o lado branco para cima, enquanto outras o fazem mostrando o lado escuro, formando então a página de texto.

Os dispositivos spintrônicos funcionam de maneira bastante semelhante. Ao gravar dados em um HD que se utiliza da tecnologia, por exemplo, você faz com que algusn elétrons girem para a direita (1) enquanto outros passam a girar para a esquerda (0), dessa forma constituindo a informação binária necessária para a interpretação pelo computador.

Criando spintrônicos

A ciência por trás da maneira de funcionamento e construção dos dispositivos spintrônicos é bastante complexa – muito mais do que o espaço aqui permitiria pesquisar – mas mesmo assim o Baixaki, em seu compromisso com a informação, vai tentar desenvolver a ideia de maneira simplificada.

De maneira geral, dois tipos de aparelhos spintrônicos são utilizados na produção de componentes para PCs.

Aparelhos metálicos

O primeiro tipo é o mais simples dos dois, uma vez que se baseia inteiramente em metais ferromagnéticos e é também o mais desenvolvido tecnologicamente. Nestes aparelhos, duas camadas de metais – como o cobalto ou o próprio ferro – são colocadas lado a lado, com uma camada de separação entre elas.

Esse dispositivo é chamado GMR (Giant magnetoresistance – resistência magnética gigante), e seu funcionamento depende do alinhamento das rotações de cada camada metálica. Quando ambas as placas metálicas têm suas orientações magnéticas alinhadas, a resistência elétrica do componente será menor, sendo o inverso verdade quando a orientação magnética de uma camada for oposta à da outra. O GMR é um sensor de campos magnéticos bastante preciso, e responsável pela possibilidade de miniaturização dos espaços de alocação citados anteriormente.

Miniaturização de espaços de alocação

Variações sobre o GMR existem, e cumprem diferentes funções. Entre as mais notáveis estão o TMR (Tunnel Magnetoresistance – resistência magnética em túnel) usado – assim como o GMR – para aumentar a sensibilidade de cabeças de leitura de dados em discos rígidos e o STT (Spin Torque Transfer – transferência de momento de rotação) utilizado na criação da MRAM.

Através de junções de túneis magnéticos (Magnetic Tunnel Junctions – MTJs), a Motorola desenvolveu um pente de memória com tempo de leitura de 50 nanossegundos. Essa primeira geração da tecnologia dispunha de apenas 256 KB, porém versões de 4 MB já foram desenvolvidas.

Só que os MTJs não são o ápice da tecnologia MRAM. O STT, por exemplo, é base da pesquisa desenvolvida pela IBM, assim como a Racetrack memory, que codifica informação através da direção de magnetização de paredes separadas de um único filamento metálico.

Ao mesmo tempo, diversas empresas estudam também designs baseados em TAS (Thermal Assisted Switching – ligamento assistido por temperatura), em que camadas de materiais diferentes selecionam o momento de leitura e gravação de dados.

Persistência da memória

Pendrive

Para todos os efeitos, a não volatilidade dos dados armazenados em MRAM é muito semelhante à guarda de dados em memória flash – usada em pendrives, cartões de memória e SSDs (Solid State Drives – discos de estado sólido). O principal diferencial, entretanto, é a velocidade de leitura dos dados em um chip MRAM, muito superior à encontrada em chips de memória flash.

Semicondutores

Ainda bastante teóricos, os aparelhos spintrônicos baseados em semicondutores independem de campos magnéticos para seu funcionamento – ainda que os dados sejam lidos e gravados dessa forma.

Como semicondutores – e em especial para a eletrônica o silício – não interagem normalmente com o magnetismo derivado da rotação do elétron, muito do que se diz a respeito de dispositivos spintrônicos baseados nesse tipo de material ainda é teórico, porém algumas técnicas já foram desenvolvidas para permitir a utilização desse tipo de aparelhagem.

Polarização ótica, eletroluminescência e até mesmo colocação balística – sim, atirar um elétron sobre uma placa de silício – são formas de produzir a interação entre semicondutor e spin necessária para o funcionamento do dispositivo.

Entre os modelos propostos para esta tecnologia, destacam-se os transistores como os MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor – transistor semicondutor metal-óxido de efeito de campo).

Esse tipo de aparelho é utilizado para permitir ou negar a passagem de corrente – e em consequência, de dados – entre partes de um mesmo circuito eletrônico. Ao baseá-los em spin ao invés de carga elétrica, o consumo energético e o espaço de placa ocupado pelo dispositivo seriam bastante reduzidos, e ainda assim haveria um ganho significativo de velocidade de resposta.

No mercado

Dispositivos portáteis

Equipamentos spintrônicos – sejam baseados em metais – ou – semicondutores têm aplicação principalmente em dispositivos móveis, como celulares e notebooks, devido ao menor consumo energético e proporções reduzidas quando comparados com suas contrapartes puramente eletrônicas.

Disponíveis no mercado desde 2005, os derivados da tecnologia spintrônica ainda não conseguir desbancar HDs e memória flash como alguns analistas imaginavam que aconteceria. Com os avanços contínuos nos processos de fabricação e também na sua utilização, entretanto, a spintrônica começa a participar mais ativamente do mercado, e quem sabe um dia você também poderá ligar seu computador e instantaneamente recomeçar a trabalhar a partir do ponto em que desligou a máquina na noite anterior.

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