Spintronic micromagnetic simulations using parallel computations

Resumen

En el trabajo descrito por esta tesis se incluye tanto la implementación de un código de simulación micromagnética que aprovecha la potencia de la computación en paralelo, como el estudio de diferentes fenómenos en dispositivos micromagnéticos. La implementación del código de simulación se inició mediante el estudio del formalismo teórico del Micromagnetismo y de las técnicas numéricas que permiten la simulación de diferentes dispositivos. Un código secuencial de Fortran se utiliza como base para el desarrollo del código paralelo, escrito en un lenguaje recientemente desarrollado por NVIDIA (CUDA). Este sistema utiliza unidades de procesamiento gráfico (GPU) para realizar los cálculos en paralelo, en lugar de las habituales unidades centrales de procesamiento (CPU), permitiendo un incremento de la velocidad de simulación de hasta dos órdenes de magnitud, a una décima parte del costo de un sistema de supercomputación equivalente (cluster de CPUs). El código paralelo-GPU desarrollado incluye las contribuciones habituales micromagnéticas (intercambio, anisotropía, magnetostática, Zeeman, Oersted), así como el campo térmico y la interacción de par de espín, tanto para dispositivos con corrientes perpendiculares al plano (CPP) o corrientes en el plano (CIP). En particular para los dispositivos CPP se considera la dinámica de la magnetización de las capas fija y libre de una válvula de espín o unión de efecto túnel (MTJ). Se tiene en cuenta el par de espín de ambas capas (back-torque). Se presentan diferentes estudios micromagnéticos, que implican el estudio de la inversión de la magnetización en uniones de efecto túnel, sin y con el efecto de la temperatura. Estos estudios muestran algunas de las limitaciones de la programación secuencial que llevaron a la idea de desarrollar un código micromagnético paralelo más eficiente. El código paralelo desarrollado, capaz de realizar simulaciones que implican grandes ventanas temporales y/o grandes dimensiones espaciales se utiliza para estudiar rigurosamente las frecuencias de oscilación de vórtices en válvulas de espín (tiempos de simulación del 10^-5 s), y para estudiar la dinámica de paredes de dominio en largas tiras ferromagnéticos (del orden de 10^6 células computacionales).