L’ETH di Zurigo è un punto di riferimento nello sviluppo della tecnologia e l’ingegneria informatica, noi abbiamo sentito uno dei professori del centro di eccellenza svizzero, Pietro Gambardella, del dipartimento di scienze dei materiali e alcuni giorni fa ha presentato una ricerca su Nature Nanotechnology per migliorare le capacità di memoria e scrittura di dati. Oggi vi parliamo a tutto campo delle applicazioni e l’arte della scrittura della memoria.

 

-Come si possono immagazzinare più velocemente dati? Cosa ha bloccato gli studi fino ad oggi?

Ogni sistema di memoria è composto da un supporto fisico su cui si possono immagazzinare scrivere e leggere dati. Nel caso della memoria di un computer i dati sono rappresentati dall’assenza o presenza di carica (memorie RAM e flash) o dalla direzione della magnetizzazione, ovvero dall’orientamento Nord-Sud o Sud-Nord di un magnete (memorie a disco rigido). In quest’ultimo caso, un bit è rappresentato da una minuscola regione di un film magnetico, in cui la direzione della magnetizzazione può essere controllata indipendentemente da quella dei bit vicini.

Ogni memoria ha procedimenti di scrittura diversi. Nelle memorie magnetiche tradizionali, le operazioni di scrittura e lettura vengono effettuate da una testina composta da una bobina miniaturizzata (in grado di creare un campo magnetico capace di invertire la magnetizzazione di un bit) e da un sensore che misura (legge) la direzione della magnetizzazione. In questo modo, la scrittura e lettura dei dati sono seriali, in quanto la testina si deve spostare fisicamente da un punto all’altro del supporto magnetico per accedere ai diversi bit. Ciò richiede tempo ed energia, ed è la regione per cui le memorie a disco rigido sono più lente delle memorie flash, che non hanno parti mobili.

Fortunatamente, in anni recenti sono emerse nuove tecnologie per scrivere e leggere bit magnetici, che eliminano del tutto le parti mobili e sono potenzialmente molto più rapide di quelle di qualsiasi altra memoria. Queste tecnologie, dette spintroniche, si basano sull’iniezione di deboli correnti elettriche direttamente all’interno di un film magnetico. Esistono vari fenomeni per cui una corrente elettrica può agire direttamente sulla magnetizzazione di un bit, determinandone la direzione. La nostra ricerca ne mette in evidenza uno in particolare, basato sull’interazione spin-orbita, che si è dimostrato molto rapido, con tempi di inversione della magnetizzazione inferiori ad un nanosecondo, e riproducibile, fino a mille miliardi di volte.

 

-Cos’è la magnetizzazione controllata?

Controllare la magnetizzazione significa essere in grado di determinare come e quando si inverte l’orientazione dell’asse Nord-Sud di un magnete. In un materiale magnetico questo processo può avvenire in molti modi. Per esempio, diversamente dall’ago di una bussola che ruota su stesso, la magnetizzazione si può “rompere” in domini che si propagano a velocità diverse, a seconda della propria orientazione. Nel nostro studio, questa velocità di propagazione è estremamente elevata, fino a 500 m/s. Questo significa che la magnetizzazione di un bit di 50 nanometri si può invertire su tempi dell’ordine di un decimo di nanosecondo.

 

-Come si può coniugare un’alta velocità di scrittura con un basso consumo energetico?

Bisogna considerare due fattori. Il primo è che le memorie magnetiche sono per propria natura “non volatili”, ovvero stabili nel tempo e quindi “salva-energia”. Non è questo il caso delle memorie RAM attualmente in uso, che hanno bisogno di essere rinfrescate costantemente per evitare la perdita di dati. La seconda è che, ad una maggiore velocità di scrittura, corrisponde una minor durata dell’impulso elettrico, e quindi della corrente totale di cui si ha bisogno per cambiare lo stato della memoria.

 

-Come sfruttate i campi magnetici attraverso le bobine?

Questo è proprio quello che cerchiamo di evitare. Le bobine sono ingombranti e poco efficienti dal punto di vista energetico, in quanto gran parte del campo magnetico da loro prodotto si disperde nello spazio. L’obiettivo è proprio quello di eliminare le bobine e le parti mobili di una memoria magnetica.

 

 

-Quali ricadute ci saranno sulle memorie dei pc?

L’introduzione di memorie magnetiche controllate da impulsi elettrici può rivoluzionare il settore delle memorie RAM, introducendo la non volatilità unita ad una grande velocità e resistenza all’uso. Una conseguenza tangibile sarebbe, per esempio, un computer che si accende e si spegne istantaneamente. Vi sono già grandi aziende del calibro di Samsung, Qualcomm e Toshiba che si muovono in questa direzione, utilizzando per ora una tecnologia diversa dalla nostra.

 

-Faccia una previsione, nei prossimi dieci anni come si evolverà questo settore?

Vedremo. Alla fine, le scelte industriali sono determinate dal rapporto tra perfomances e costi. Vi sono molte tecnologie in competizione tra loro, ed è un bene che sia così. Personalmente credo che le MRAMs (Magnetic Random Access Memories) avranno un ruolo importante nel nostro futuro.

 

 Gianluigi Marsibilio