鋳造では、凝固解析・湯流れ解析・型作り・現物の３D測定と図形モデル化などで、CPUを多用します。
そのCPUの性能の重要な部分の一つが、データストレージで、その歴史は、磁気テープ・HDD・SSDなどの急速な進展がありました。
今また、新しい技術により大きく性能向上するようです。

日経クロステック掲載記事が有料版で読めないために、Geminiに聞いた内容をご紹介。

Gemini

Q：　次世代メモリー技術として注目されている「MRAM（磁気抵抗変化型メモリー）」について。

A:　MRAMは、電子の「スピン」という性質を利用して情報を記録する、非常に革新的な技術です。

MRAMの主な特徴と利点

  • 高速性:
    • 非常に高速なデータの読み書きが可能です。
  • 不揮発性:
    • 電源を切ってもデータが消えません。
  • 高耐久性:
    • 書き換え回数に制限が少なく、長寿命です。
  • 低消費電力:
    • 消費電力が少ないため、省エネルギーに貢献します。

MRAMの技術的な側面

  • MRAMは、磁気トンネル接合（MTJ）という構造を用いてデータを記録します。MTJは、2つの磁性体層と、その間に挟まれた絶縁体層から構成されています。
  • 磁性体層の磁化の向きによって電気抵抗が変化する現象を利用し、情報を0と1で表現します。
  • 近年では、「STT-MRAM（スピントルク注入型MRAM）」という技術が主流になりつつあります。これは、電流によって磁化の向きを制御するもので、より高速で低消費電力な動作が可能です。

MRAMの応用分野

MRAMは、その優れた特性から、様々な分野での応用が期待されています。

  • キャッシュメモリ:
    • CPUのキャッシュメモリとして使用することで、処理速度を大幅に向上させることができます。
  • 組み込みシステム:
    • 自動車、産業機器、IoT機器など、幅広い分野で利用できます。
  • ストレージ:
    • 従来のHDDやSSDに代わる、新しいストレージ技術としての可能性も秘めています。

MRAMの現状と今後の展望

  • MRAMは、すでに一部の製品に搭載され始めており、市場は拡大傾向にあります。
  • 技術開発も活発に進められており、さらなる高性能化、大容量化、低コスト化が期待されています。
  • 「次世代」が外れた最新不揮発性メモリ「MRAM」の製品と技術 – PC Watchの記事にもあるように、技術は次世代から最新技術へと進化している。

MRAMは、今後の情報社会を支える重要な技術の一つとして、ますます注目を集めるでしょう。

補足　磁性体から情報を読み取る原理（以下は Gemini　に聞いた内容そのままご紹介）

磁性体から情報を読み取る原理は、磁気抵抗効果という物理現象に基づいています。この効果は、磁性体の電気抵抗が磁場の向きによって変化するという性質を利用したものです。

磁気抵抗効果の基本的な原理

  • 電子のスピン:
    • 電子は電荷を持つだけでなく、自転（スピン）という性質も持っています。このスピンは、小さな磁石のような役割を果たし、磁場の向きによってその向きが変わります。
  • 磁性体:
    • 磁性体は、電子のスピンが一定の方向に揃いやすい物質です。
  • 電気抵抗の変化:
    • 磁性体の中を電流が流れるとき、電子のスピンの向きが磁性体の磁化の向きと同じであれば、電流はスムーズに流れます。
    • しかし、電子のスピンの向きが磁性体の磁化の向きと逆であれば、電流は散乱され、電気抵抗が増加します。
  • 情報の読み取り:
    • この電気抵抗の変化を測定することで、磁性体の磁化の向き、つまり記録された情報を読み取ることができます。

 

HDDの記録と読み出しの原理

HDD（ハードディスクドライブ）は、磁気ディスクに情報を記録・読み出しする記憶装置です。その原理は、磁気と電気の相互作用に基づいています。

記録の原理

  1. 磁気ディスク:
    • HDD内部には、磁性体を塗布した円盤（プラッタ）が複数枚重ねられています。
  2. 磁気ヘッド:
    • プラッタの表面には、微小な磁気を発生させる磁気ヘッドが配置されています。
  3. 電磁石の原理:
    • 記録するデータに応じて、磁気ヘッド内のコイルに電流を流します。
    • 電流によって発生した磁場が、プラッタ上の磁性体の磁化の向きを変化させます。
    • この磁化の向きの変化が、情報を0と1で表現します。

読み出しの原理

  1. 磁気抵抗効果:
    • プラッタ上の磁性体の磁化の向きによって、磁気ヘッドの電気抵抗が変化する「磁気抵抗効果」を利用します。
  2. 磁気ヘッドの検出:
    • 磁気ヘッドがプラッタ上を移動し、磁性体の磁化の向きを検出します。
    • 磁化の向きに応じて変化する電気抵抗を測定し、電気信号に変換します。
  3. データの復元:
    • 電気信号をデジタルデータに変換することで、記録された情報を復元します。

主な要素

  • プラッタ:
    • 磁性体を塗布した円盤で、情報を記録する媒体です。
  • 磁気ヘッド:
    • プラッタに磁気を書き込み、磁気を読み取るための部品です。
  • スピンドルモーター:
    • プラッタを高速回転させるためのモーターです。
  • アクチュエータ:
    • 磁気ヘッドを正確な位置に移動させるための機構です。

HDDは、これらの要素が連携して動作することで、大容量のデータを高速に記録・読み出しすることができます。

 

磁気利用の記録媒体を守る方法　外部の磁気・磁界を遮断

磁気テープやHDDなど磁気で記録する機器では、磁界を遮断が必要。主な方法と、それぞれの原理、注意点を以下に説明します。

1. 磁性体による遮蔽

  • 原理:
    • 磁性体は、磁力線を引き込む性質があります。この性質を利用し、磁界を遮断したい空間を磁性体で囲むことで、磁力線を磁性体側に集中させ、内部への磁界の侵入を防ぎます。
    • 特に、鉄やパーマロイなどの強磁性体は、高い透磁率を持つため、磁気遮蔽に効果的です。
  • 方法:
    • 磁界を遮断したい機器や空間を、鉄板やパーマロイ製の箱で覆います。
    • 磁石の周囲を磁性体で囲むことで、外部への磁界の漏れを抑制することも可能です。
  • 注意点:
    • 磁性体の厚みや材質によって遮蔽効果が異なります。
    • 強い磁界の場合、磁性体が飽和し、遮蔽効果が低下することがあります。

2. 電磁シールド

  • 原理:
    • 交流磁界の場合、導電性の材料で囲むことで、誘導電流（渦電流）が発生し、その誘導電流によって発生する磁界が、外部からの磁界を打ち消します。
    • 高周波の磁界ほど、電磁シールドの効果が高くなります。
  • 方法:
    • 銅やアルミニウムなどの導電性の材料で、磁界を遮断したい機器や空間を覆います。
  • 注意点:
    • 直流磁界や低周波の磁界に対しては、効果が限定的です。
    • 導電性の材料の厚みや導電率によって、遮蔽効果が異なります。

3. 距離による減衰

  • 原理:
    • 磁界は、磁源からの距離が離れるほど、急速に減衰します。
  • 方法:
    • 磁源から距離を離すことで、磁界の影響を低減します。
  • 注意点:
    • 強力な磁源の場合、十分な距離を確保する必要があります。

身近な例

  • お菓子の缶などのブリキの缶は、磁性体でできている為、小さい磁石などいれて蓋をすると磁気を遮断する事ができます。
  • ハードディスクドライブ（HDD）などの電子機器は、内部の磁界が外部に漏れないように、金属製のケースで覆われています。

これらの方法を組み合わせることで、様々な磁界環境に対応した遮蔽が可能です。

 

補足　電子のスピンとスピンによる磁石化と電子の移動への影響　By Gemini

電子のスピン、それによる磁界・磁石的挙動、そして磁界中の電子の移動のしやすさについて解説します。

1. 電子のスピンとは？

  • 電子は、原子核の周りを公転するだけでなく、自転（スピン）もしています。
  • このスピンは、古典的な自転とは異なり、量子力学的な性質です。
  • 電子のスピンには、「上向き」と「下向き」の2つの状態があり、それぞれが固有の磁気モーメントを持っています。
  • この磁気モーメントが、電子が磁石のように振る舞う原因となります。

2. スピンによる磁界・磁石的挙動

  • 電子のスピンによって生じる磁気モーメントは、微小な磁石のようなものです。
  • 多くの原子では、電子が対になってスピンの向きが打ち消し合うため、磁性は打ち消されます。
  • しかし、鉄やコバルトなどの強磁性体では、スピンの向きが揃った電子（不対電子）が存在し、物質全体として強い磁性を示します。
  • これらの物質では、外部磁場によってスピンの向きを揃えることで、永久磁石を作ることができます。

3. 磁界中の電子の移動のしやすさ

  • 磁界中の電子は、そのスピンの向きによって異なる影響を受けます。
  • スピンの向きが磁界の向きと同じ電子は、磁界によって加速されやすくなります。
  • 逆に、スピンの向きが磁界の向きと逆の電子は、加速されにくくなります。
  • この性質は、磁性材料中の電子の移動を制御する上で重要です。
  • 磁気抵抗効果：磁性体と非磁性体を組み合わせた多層膜に電流を流し、外部から磁場をかけると、磁場の向きによって電気抵抗が変化する現象です。この現象は、ハードディスクドライブの読み取りヘッドなどに利用されています。
  • スピン偏極電流：スピンの向きが揃った電子の流れのことです。スピン偏極電流を利用することで、磁性体の磁化を制御したり、新しい電子デバイスを作ったりすることができます。

4. 補足

  • 電子のスピンは、磁性だけでなく、化学反応や超伝導など、さまざまな現象に関わっています。
  • 近年では、電子のスピンを利用した新しい技術（スピントロニクス）の研究が盛んに行われています。

参考資料