Memórias magnéticas a caminho da indústria

Memórias magnéticas de acesso aleatório fabricadas pela Everspin. O estudo alemão recém-publicado torna mais próxima a produção barata e em larga escala desses dispositivos (foto: reprodução).

A prestigiosa revista Physical Review Letters acaba de publicar um artigo que vai dar o que falar. O trabalho apresenta resultados obtidos por pesquisadores do instituto nacional de metrologia alemão – o Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) –, sobre reversão balística de magnetização. Dito assim, esse conceito soa como grego para a maioria das pessoas, mas o texto de divulgação que o PTB preparou para anunciar os resultados vem sendo reproduzido em inúmeros e importantes sítios da internet.

Não é para menos: todos estão convencidos de que os resultados abrem as portas da indústria para uma revolução tecnológica: a fabricação em larga escala das assim chamadas memórias universais ou perfeitas, que não são voláteis, são ultra-rápidas e  consomem pouca energia. Trata-se das memórias magnéticas de acesso aleatório (MRAM, na sigla em inglês). Traduzi o comunicado do PTB e publiquei-o em meu blog  para não repeti-lo aqui. Em vez disso, discutirei o que está por trás da notícia, do ponto de vista histórico e científico.

A busca pelas memórias de acesso aleatório é uma corrida antiga e com respeitáveis competidores, do quilate de Honeywell, IBM, Intel, Motorola, NEC ou Samsung, entre outras. Porém, com os resultados que acaba de apresentar, o time do PTB ganhou a medalha de ouro do ano.

As memórias magnéticas de ferrita, comuns nos anos 1960, logo deram lugar às memórias dinâmicas de acesso aleatório (DRAM) fabricadas com semicondutores (foto: H.J. Sommer III, prof. de engenharia mecânica, Penn State Univ.).

Investimentos em pesquisas de filmes finos para a fabricação de memórias magnéticas começaram no início dos anos 1960, na onda do entusiasmo com as memórias magnéticas de ferrita, mas a alegria durou pouco. Já na década seguinte os materiais semicondutores mostraram-se mais apropriados para a tarefa e as memórias dinâmicas de acesso aleatório (DRAM, na sigla em inglês) empurraram para o ostracismo quase todas as memórias magnéticas.

Mas o que as memórias semicondutoras apresentavam de tão espetacular? Simplesmente, baixo custo e alto grau de integração, resultando em circuitos integrados. Daí para os chips de hoje, foi um passo.

Uma idéia ressuscitada
A descoberta da magnetorresistência gigante ressuscitou a idéia das memórias magnéticas, sobretudo a partir de 1995, quando foi inventada a junção de tunelamento magnetorresistivo.

Nas memórias magnéticas, o código binário é definido pela orientação da magnetização da célula magnética. Para escrever um bit “0”, temos que colocar a magnetização no sentido contrário daquele definido para o bit “1”. Assim, gravar informações em memórias magnéticas implica em levar magnetizações de um lado para outro, uma operação suficientemente complicada para impedir a fabricação em escala industrial das MRAM.

Parece que Hans Werner Schumacher e seus colegas do PTB encontraram a saída para a última das complicações. E tudo isso tem a ver com parte do título do trabalho publicado: reversão balística de magnetização. Reversão da magnetização, como sugere o nome, significa passá-la de um lado para outro, mas, o pulo do gato da equipe liderada por Schumacher foi realizar a reversão balística.

Para gravar dados nas memórias magnéticas, inverte-se o sentido de magnetização das células, de forma a configurar os bits 0 e 1 (arte: Lawrence Berkeley National Laboratory).

Precisamos de analogias com nossa experiência cotidiana para entender o que isso significa. Sabe aquele brinquedo conhecido como joão-bobo? Por mais que o coloquemos deitado, ele volta à sua posição vertical, não sem antes oscilar em torno dessa posição. Se repetirmos a experiência dentro d’água, o boneco levará mais tempo para retornar à posição vertical, em conseqüência do atrito na água, que é muito maior do que no ar.

Vejamos uma situação mais próxima do problema que estamos discutindo. Aproxime um ímã de uma bússola. Observe que a agulha na bússola fica oscilando – como um joão-bobo – em torno da direção definida pelo ímã. Esse comportamento resulta de um movimento de precessão executado pelos momentos magnéticos dos domínios microscópicos presentes no material (clique aqui  para saber mais sobre esse fenômeno).

Assim, antes de se fixar em uma direção, os momentos magnéticos executam movimentos de precessão em torno dela, análogos à oscilação do joão-bobo. Por causa disso, para inverter a posição de um momento magnético, são necessários vários nanossegundos (o nanossegundo é a bilionésima parte do segundo). Levar todo esse tempo para escrever um bit inviabiliza o ingresso das MRAM no clube dos dispositivos industrializados.

Processo balístico
Desde o final dos anos 1990, esse problema vinha sendo investigado por muitos pesquisadores. Todos sabiam que o modo mais rápido de inverter o sentido de uma magnetização seria por intermédio de um processo balístico. O nome é uma referência ao movimento de projéteis, que ocorre sem choque com outros objetos, isto é, sem atrito. Portanto, reversão balística significa que a magnetização vai da posição de bit “0” diretamente para a posição de bit “1”, sem sofrer precessão.

O que ninguém sabia era como eliminar a precessão – ou manter no lugar nosso joão-bobo magnético. E foi isso o que fez a equipe de Schumacher. A reversão “convencional” é obtida por intermédio da aplicação de um campo magnético externo, no sentido contrário ao da magnetização. Esse procedimento vai resultar na precessão. A reversão balística é possível se, além do campo externo, forem aplicados pulsos de campos na direção perpendicular à magnetização.

Os pesquisadores do PTB descobriram que, quando a largura desses pulsos corresponde a metade do tempo de precessão, o tempo de reversão é aproximadamente igual a 165 picossegundos (picossegundo é um trilionésimo do segundo). A façanha vai permitir a fabricação de memórias com freqüência superior a 2 gigahertz. Descobrir que a largura dos pulsos deve ser a metade do tempo de precessão e estabelecer procedimentos para controlar esses pulsos foi o pulo do gato do time do PTB.

Na palma da sua mão, num futuro próximo

A popularização das memórias MRAM deve tornar possível a fabricação de palmtops extremamente pequenos, rápidos e com grande capacidade de memória (foto: Wikimedia Commons).

Mas como e quando a MRAM vai mudar a sua vida de usuário da informática? De diferentes maneiras – e não vai demorar muito. Um exemplo: você fica desesperado com o “enorme” tempo de 50 segundos que seu computador leva para ser iniciado? Acha que está gastando muito com a energia que alimenta a máquina? Acha seu computador portátil grande e pesado? Pois tudo isso vai mudar!

A MRAM terá a grande capacidade de armazenamento de um disco rígido, a rapidez da memória RAM (memória de acesso randômico, na sigla em inglês) e o baixo custo da memória flash. Por ser não volátil, ela disponibiliza informações e programas imediatamente após a ligação do computador. A inicialização será realizada num piscar de olhos. Por não ter partes móveis, como o disco rígido, a MRAM não requer muita energia para entrar em operação. Além disso, por ter alta densidade de gravação, ela será fabricada em dimensões reduzidas.

Num futuro próximo, você terá um minúsculo e potente computador na palma da sua mão. Em vez de uma máquina com 1 GB de memória RAM e um disco rígido com 100 GB, você vai simplesmente comprar um computador com memória de 200 GB, 300 GB, ou quanto seu orçamento permitir. Quando? Talvez antes de 2010.

Carlos Alberto dos Santos
Colunista da CH On-line
Professor aposentado pelo Instituto de Física
da Universidade Federal do Rio Grande do Sul
22/08/2008  

Matéria publicada em 22.08.2008

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