主なハイライト

• スピントロニクス技術の最新の進展は、ナノメトリック薄膜構造に基づいており、垂直磁気異方性を持ち、スピン電流が磁性層の磁化の変化を生成するために利用されます。この効果はスピン-軌道トルク（SOT）と呼ばれ、交互の磁性または非磁性金属から構成される多層スタックをエンジニアリングすることで改善できます。これらのシステムは、次世代の磁気抵抗型ランダムアクセスメモリ（MRAM）デバイスで使用されるスピン-軌道トルク磁化スイッチングの基本要素です。

例えば、IMDEAナノサイエンスのパオロ・ペルナ博士が率いるスピンオービトロニクス研究チームは、対称的なPt/Co/Ptトリレイヤーにおいて、PtとCoの間に超薄型のCu中間層を挿入することで、スピンオービットトルクの界面による増加の出現を観察しました。SOTの改善はスピン・ホール・マグネトレスistanceの減少を伴い、Cu/PtおよびCo/Cu界面におけるスピンメモリー損失効果が、両方の強化されたSOTとスピン・ホール・マグネトレスistanceの減少の原因であることを示しています。

• 近年、スピントロニクスは、マイクロエレクトロニクス市場で勢いを増しており、業界の主要プレイヤー（サムスン、インテル、TSMC、グローバルファウンドリーズ）による新しいタイプの磁気メモリであるMRAM（磁気ランダムアクセスメモリ）の産業生産が開始されました。長距離にわたる電子の移動を調整するための包括的な実験努力が行われてきましたが、移動後に電子スピンのコヒーレンスを維持することは依然として課題となっています。個々の電子スピンは5µmの距離でコヒーレントに移動できるため、長距離で電子のスピンを制御することは業界にとって難題でした。スピントロニクス技術を統合した製品は、電気自動車、MRAM、産業用モーター、データストレージなど、このレポートの範囲内で議論される他のエンドユーザーに応用されています。

最近、スピントロニクス技術は、従来のストレージデバイスと比較して、より活発なデータ伝送能力と増加したストレージ容量のおかげで、データストレージデバイスに広く利用されています。
現在、スピントロニクスデバイス、例えば、磁気トンネル接合は、低い動作温度や材料選択における厳しい制約といった限界に苦しんでいます。これらの限界を克服するために、EURAMETなどの組織による新しい研究開発活動が市場で見られました。実際に、スピントロニクス技術は、磁気ストレージデバイスと高度な半導体マイクロエレクトロニクスまたはナノエレクトロニクスの主要な要素を単一チップに統合することができます。

消費電力の削減によるスピントロニクスの電子デバイスに対する需要の増加が市場を牽引すると予想されています

• スピントロニクスベースのデバイスは、電子デバイスに置き換わり、非常に低い電力レベルでより高い性能を提供することが期待されています。電子デバイスは通信と電力のために電子の動きを使用しますが、スピントロニクスデバイスは静止した電子の可搬特性であるスピンまたは角モーメントを使用します。スピントロニクスは計算またはメモリ機能を実行するために必要な労力を減少させます。東京大学の研究者は、スピントロニクスベースのメモリデバイスが低電力で高速を提供する可能性があると報告しました。それにより、彼らは低電力で誘導電流の存在下で迅速に磁気状態を切り替えることができる新しいタイプのスピントロニクスメモリを開発しました。

過去10年間、スピントロニクス技術は、電子回路の電力消費が増加するという現在の問題に対する解決策を提供できる能力のために、非常に大きな注目を集めています。スピントロニクスに基づく構造は、低電力消費、スタンバイ漏れゼロ、無限の耐久性、優れた読み書き性能、不揮発性、容易な3D統合能力を実現することが可能です。今日のCMOS技術に基づく電子回路との組み合わせが可能です。IoTやスマートデバイスのようなトレンドは、低電力で多くの機能を処理できるメモリ部品の需要を高めており、スピントロニクスの範囲を拡大しています。
過去10年間、製造技術の分野における進展がCMOS技術のダウンスケーリングを維持しており、その結果、ICの性能が一貫して向上してきました。2020年には、台湾に拠点を置くICファウンドリのTSMCがNvidiaのGPU用に540億のMOSFETを製造し、2019年には、商業的に利用可能なAMDのZen2プロセッサアーキテクチャに対して、7nmプロセステクノロジーを用いて395.4億のMOSFETを製造しました。しかし、さらなるスケーリングは、トランジスタのサイズが数原子層に達し、量子効果が顕在化し始めるため、電力消散の問題を増加させる可能性があります。これにより、量子トンネリングが発生し、リーク電流が増加し、スタンバイ電力消散が増加する可能性があります。

• グローバル半導体産業は、現在のICの計算能力を向上させ、ストレージを維持・強化し、低消費電力を必要とする材料、システム、デバイスの開発をアウトライン化することで、将来の技術開発に一貫して投資してきました。そのため、スピントロニクスの範囲は拡大することが期待されています。米国のデータストレージ企業であるシーゲイトテクノロジーは、スピントロニックメモリスタについて研究を行っています。スピントロニクスを基にしたトランジスタは、エレクトロニクスの回路基板をスピントロニクスのものに置き換える可能性もあります。スピントロニクスはナノテクノロジーの新興分野の1つであり、非常に急速に成長しています。


• アメリカ合衆国エネルギー省科学局のユーザーファシリティであるアドバンストフォトンソース（APS）を使用している研究者たちは、電子スピンを操作する方法やスピントロニクス用の新材料の開発を研究しています。2020年9月、ウィスコンシン大学マディソン校の材料科学および工学の教授であるチャン・ボム・エオムが指導する研究チームは、雑誌『Nature Communications』に、他のスピントロニクスデバイスと比較してストレージ密度が3倍で、消費電力がはるかに少ない新材料に関する研究を発表しました。

2021年11月、バーミンガム大学の物理学部の研究者が、米国国防総省空軍科学研究局から、構造的、トポロジカル、および磁気遷移を引き起こす外部圧力とひずみをモデル化および予測するために、3年間、300,000米ドルの助成金を受けました。この研究の成功は、トポロジカル電流を持つ低エネルギー消費スピントロニクスデバイスの次世代量子計測デバイスの開発に役立つと期待されています。

• 北米は、地域企業による高い研究レベルと地域のエンドユーザー産業の間での技術採用の増加により、調査対象市場における主要な投資者および採用者の一つです。スピントロニクス市場における主要なエンドユーザー産業の多くは、地域で高度に進展しており、ベンダーが予測期間中に大幅に拡大することを可能にしています。たとえば、電動自動車および輸送、データセンター、企業ストレージ、サーバーRAID、産業オートメーションおよびIoT、通信インフラなどの産業は、地域で著しく成長しており、これによりスピントロニクスのような高度な技術の必要性も高まっています。


• さらに、世界市場のほとんどの市場ベンダーは米国に拠点を置いており、これによって地域は大規模な競争優位性を享受し、研究された市場の革新を先導しています。IBMやIntelのような大手テクノロジー企業が、スピントロニクス技術の世界的商業化に重要な役割を果たしています。例えば、2021年1月、米国エネルギー省（DOE）のブルックヘブン国立研究所とイェール大学の研究者たちは、磁性材料の厚さを変えることでスピンダイナミクスを制御する能力を示しました。Nature Materialsに発表された新しい研究は、より小型でエネルギー効率の良い電子デバイスにつながる可能性があり、スピントロニクスの重大な進展を表しています。

また、アメリカの研究およびイノベーション機関の多くがスピントロニクス開発に大きな投資をしており、これにより世界中の多くのベンダーを引き付けています。たとえば、2020年にアメリカ国立標準技術研究所（NIST）とそのパートナーであるアメリカのナノ電子コンピューティング研究コンソーシアム（nCORE）は、ミネソタにスピントロニクス研究センターを設立するために4年間で1,030万ドルを投資しました。高度な情報技術におけるスピントロニック材料センター（SMART）は、ペンシルバニア州立大学、マサチューセッツ工科大学、ジョージタウン大学、メリーランド大学の研究者を含むことを計画していました。

• 国内での電気自動車の使用は急速に増加しています。国際エネルギー機関（IEA）によると、アメリカ市場の自動車販売の約1％が電気自動車から来ています。エネルギーと環境への懸念から、北米で電気自動車の需要が著しく増加しており、電気自動車に統合されたスピントロニクス市場を加速させています。カリフォルニア州のゼロエミッション車（ZEV）プログラムも、自動車メーカーに一定割合の電動車を販売することを義務付けることでEVの需要を後押しし、国内市場の活性化を促しています。2021年1月、アメリカ政府は645,000台の車両をすべて米国製の電気自動車に置き換える計画を発表し、政府の年間6,000億ドルの物品およびサービス支出に関する新しいガイドラインを作成する「バイ・アメリカ」行政命令に署名しました。これにより、現在アメリカの街にある160万台（政府および民間所有を含む）以上に対して、EVの総数が少なくとも40％増加すると予測されています。


• さらに、アメリカ合衆国では、多くの民間企業、学術機関、および連邦研究開発ラボがナノテクノロジーとMEMSの進展に明示的に焦点を当てています。マサチューセッツ工科大学（MIT）の兵士ナノテクノロジー研究所は、アメリカ陸軍研究所との5000万ドルの契約により設立され、兵士の生存可能性を向上させるためのナノテクノロジーを開発することを目的としたケンブリッジの研究センターです。

• 2021年8月 - クロカス・テクノロジー社は、1MHzの帯域幅と全温度範囲での1%未満の総誤差を備えたCT430およびCT431絶縁電流センサーの発売を発表しました。正確で高速な動作出力により、顧客はシステム設計を最適化し、より高い効率と小型化を実現することができます。

2021年5月 - Avalanche Technologyは、最新のスピン転送トルク磁気抵抗RAM（STT-MRAM）技術に基づく新しい宇宙グレードの並列非同期x16インターフェース高信頼性P-SRAM（持続型SRAM）メモリデバイスの提供を発表しました。これらの新製品は、航空宇宙用途のトグルMRAMベースの製品に必要な基板面積の1/12の面積しか必要とせず、読み取り操作中のトグルMRAMが消費する電力の1/4を消費します。

• 1 イントロダクション

  • 1.1 調査の前提条件と市場の定義

  • 1.2 本調査の範囲

• 2 調査手法

• 3 エグゼクティブサマリー

• 4 市場力学

  • 4.1 市場概要

  • 4.2 市場の促進要因

  • 4.3 市場の課題

  • 4.4 業界バリューチェーン分析

  • 4.5 業界魅力度 - ポーターのファイブフォース分析

    • 4.5.1 新規参入の脅威

    • 4.5.2 買い手の交渉力

    • 4.5.3 サプライヤーの交渉力

    • 4.5.4 代替品の脅威

    • 4.5.5 競合・競争状況の激しさ

  • 4.6 COVID-19の市場への影響に関する評価

• 5 スピントロニクス特許の現状

• 6 市場セグメンテーション

  • 6.1 デバイスの種類

    • 6.1.1 メタルベースデバイス

      • 6.1.1.1 巨大磁気抵抗素子(GMR)
      • 6.1.1.2 トンネル磁気抵抗素子(TMR)
      • 6.1.1.3 スピントランスファートルク装置
      • 6.1.1.4 スピン波ロジックデバイス

    • 6.1.2 半導体デバイス

      • 6.1.2.1 スピンダイオード
      • 6.1.2.2 スピンフィルター
      • 6.1.2.3 スピン電界効果トランジスタ(FET)

  • 6.2 アプリケーション

    • 6.2.1 電動EV・産業用モーター

    • 6.2.2 データストレージ/MRAM

    • 6.2.3 磁気センシング

    • 6.2.4 その他の用途

  • 6.3 地域別

    • 6.3.1 北米

    • 6.3.2 ヨーロッパ

    • 6.3.3 アジア太平洋

    • 6.3.4 その他地域

• 7 競合情勢

  • 7.1 企業プロファイル

    • 7.1.1 NVE Corporation

    • 7.1.2 Everspin Technologies Inc

    • 7.1.3 Spin Memory Inc

    • 7.1.4 Crocus Technology

    • 7.1.5 Synopsys (QuantumWise)

    • 7.1.6 Avalanche Technology

• 8 投資分析

• 9 市場の展望

The spintronics market (hereafter referred to as the market studied) was valued at USD 591.8 million in 2021, and it is projected to be worth USD 5693.1 million by 2027, registering a CAGR of 39.2% during the period 2022-2027 (hereafter referred to as the forecast period). The spintronics market is in its nascent stage, in which a significant portion of the market is still highly dependent on research and technological innovations. Moreover, the supply side of the market was affected in the initial phase of COVID-19 due to nationwide lockdowns and factory closures across the world. However, the scenario expanded the scope of the market studied as industries like data centers and cloud computing witnessed a massive surge in demand and adoption.

Key Highlights

• The latest advances in spintronics technology are based on nanometric thin film structures, with perpendicular magnetic anisotropy, in which the spin currents are utilized for producing changes in the magnetization of a magnetic layer. This effect is called spin-orbit torque (SOT), and it can be improved by engineering multilayer stacks composed of alternated magnetic or non-magnetic metals. These systems are the basic elements used for spin-orbit torque magnetization switching, utilized in the next generation of magnetoresistive random-access memory (MRAM) devices.
• For instance, the SpinOrbitronics research team guided by Dr. Paolo Perna at IMDEA Nanociencia observed the emergence of an interfacially enabled increase of the spin-orbit torque when an ultrathin Cu interlayer is inserted between Pt and Co in symmetric Pt/Co/Pt trilayer. The improvement of SOT is accompanied by a reduction of the spin-Hall magnetoresistance, showing that the spin memory loss effect in the Cu/Pt and Co/Cu interfaces is responsible for both enhanced SOT and a reduction in the spin-Hall magnetoresistance.
• In recent years, spintronics has been gaining momentum in the microelectronics market with the launch of industrial production from many major players in the field (Samsung, INTEL, TSMC, and Global Foundries) of a new type of magnetic memory - MRAMs (Magnetic Random Access Memory). There have been comprehensive experimental efforts to regulate the electron displacement over long distances, although maintaining electron spin coherence after transfer continues to remain a challenge. Since individual electron spins can be displaced coherently over a distance of 5 µm, controlling the spin of electrons for long distances was challenging for the industry. Products integrated with spintronics technology have applications in an electric vehicle, MRAM, industrial motor, and data storage, among other end users discussed within this report's scope.
• In recent years, spintronics technology has also been extensively deployed in data storage devices due to its more active data transmission capabilities and increased storage capacities compared to conventional storage devices.
• At present, spintronic devices, for instance, magnetic tunnel junctions, suffer from limitations like low operating temperatures and severe constraints in material selection. To overcome these limitations, the market witnessed new research and development activities by organizations such as EURAMET. Practically, spintronics technology can consolidate the primary elements of magnetic storage devices and advanced semiconductor microelectronics or nanoelectronics in a single chip.

Key Market Trends

Increasing Demand for Spintronics in Electronic Devices due to Lesser Power Consumption is Expected to Drive the Market

• It is expected that spintronics-based devices may replace electronic devices and offer greater performance at far low power levels. Electronic devices use electrons' motion for communication and power, whereas spintronic devices use a transferable property of stationary electrons, their spin, or angular momentum. Spintronics reduces the effort required to perform computational or memory functions. Researchers at the University of Tokyo reported that spintronics-based memory devices might offer high speeds at low power. Hence, they developed a new kind of memory based on spintronics that can quickly switch its magnetic state in the presence of an induced current at low power.
• In the last decade, spintronics technology has attracted tremendous attention due to its capability to offer a solution for the current problem of increased power dissipation in electronic circuits while scaling down the technology. Spintronics-based structures make it possible with low power consumption, zero standby leakage, infinite endurance, a good read and write performance, nonvolatile nature, and easy 3D integration capability, with the present-day electronic circuits based on CMOS technology. Trends like IoT and smart devices have increased the demand for memory components that can handle many functions at low power, hence expanding the scope of spintronics.
• In the last decade, advancements in the field of fabrication technology have sustained the downscaling of CMOS technology, due to which IC performance has consistently improved, following Moore's law. In 2020, the Taiwan-based IC foundry, TSMC, manufactured 54 billion MOSFETs for Nvidia's GPU, and back in 2019, it manufactured 39.54 billion MOSFETs for commercially available AMD's Zen2 processor architecture using 7nm process technology. However, further scaling may increase the power dissipation issues, as the transistor size reaches a few atomic layers and the quantum effect starts to kicks-in, resulting in quantum tunneling, which may increase leakage current, thus increasing the standby power dissipation.
• As the global semiconductor industry has been consistently investing in developing future technologies by outlining developments in materials, systems, and devices that can maintain, enhance the storage, and requires low power with increased computational capacity of current ICs, the scope of spintronics is expected to grow. US-based data storage company, Seagate Technology, has done research in spintronic memristor. Spintronics-based transistors may also replace electronics circuit boards with spintronics ones. Spintronics is one of the emerging fields in nanotechnology and has been growing very rapidly.
• Researchers using the Advanced Photon Source (APS), a United States Department of Energy Office of Science User Facility at DOE's Argonne National Laboratory, are studying methods to manipulate electron spins and develop new materials for spintronics. In September 2020, a research team guided by Chang-Beom Eom, a professor of materials science and engineering from the University of Wisconsin-Madison, published a research study in the journal 'Nature Communications' about a new material having three times the storage density, and it uses much less power compared to other spintronics devices.
• In November 2021, a researcher at the University of Alabama at Birmingham's Department of Physics received a three-year, USD 300,000 grant from the United States Department of Defense Air Force Office of Scientific Research for modeling and predicting the external pressure and strain that induce structural, topological, and magnetic transitions in magnetic topological systems. The success of this research is expected to help in developing next-generation quantum metrology devices for low-energy consumption spintronics devices with topological currents.

North America is Expected to Hold a Major Market Share

• North America is one of the major investors and adopters in the studied market due to the high level of research done by regional companies and the increasing adoption of technologies among the regional end-user industries. Most of the major end-user industries in the spintronics market are highly advancing in the region, enabling the vendors to expand significantly over the forecast period. For instance, industries like electric automotive and transportation, data centers, enterprise storage, server RAID, industrial automation and IoT, and telecom infrastructure are significantly booming in the region, which is also fueling the need for advanced technologies like spintronics.
• Furthermore, most market vendors in the global market are US-based, which provides the region a massive competitive advantage and keeps it at the forefront of the studied market's innovation. Massive technology companies like IBM and Intel are playing a significant role in globally commercializing spintronics technology. For instance, in January 2021, researchers at the United States Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory and Yale University demonstrated the ability to control spin dynamics in magnetic materials by altering their thickness. A new study published in Nature Materials could lead to smaller and more energy-efficient electronic devices, representing a major advancement in spintronics.
• Also, many of the United States' research and innovation organizations are significantly investing in spintronics development, which is also attracting many vendors across the world. For instance, in 2020, the United States National Institute of Standards and Technology (NIST) and its partners in the United States Nanoelectronic Computing Research (nCORE) consortium invested USD 10.3 million over four years to establish a spintronics research center in Minnesota. The Center for Spintronic Materials in Advanced Information Technologies (SMART) planned to include researchers from the Pennsylvania State University, Massachusetts Institute of Technology, Georgetown University, and the University of Maryland.
• Electric vehicle use in the country has risen rapidly, with an estimated 1% of automotive sales in the US market coming from electric vehicles, according to the International Energy Agency (IEA). ​A notable increase in the demand for electric vehicles has been observed in North America due to energy and environmental concerns, accelerating the market for spintronics integrated into electric vehicles. The Zero Emission Vehicle (ZEV) program, undertaken in California, is also driving the demand for EVs by requiring automakers to sell a specific percentage of cars powered by electricity, thus fueling the market in the country. In January 2021, the US government announced its plan to replace its entire fleet of 645,000 cars and trucks with US-made electric vehicles and signed a "Buy America" executive order that creates new guidelines for the government's USD 600 billion in annual spending on goods and services. It is expected to boost the total number of EVs by at least 40% above the 1.6 million (including government- and privately-owned) currently on US streets.
• Moreover, in the United States, a wealth of private-sector companies, academic institutions, and federal research-and-development laboratories are focused explicitly on advancing nanotechnology and MEMS. The Institute for Soldier Nanotechnologies of the Massachusetts Institute of Technology (MIT), United States, founded by a USD 50 million contract with the United States Army Research Office, is a research center in Cambridge aimed to develop nanotechnology to improve the survivability of soldiers.

Competitive Landscape

The spintronics market is characterized by steadily growing levels of product penetration, low product differentiation, and high levels of competition. Competitive advantage is heavily dependent on innovation. Some of the prominent market players, such as Spin Transfer Technologies and Crocus Technologies, received funding to enhance their product innovation in recent years. Thus, the intensity of competitive rivalry is high.

• August 2021 - Crocus Technology Inc. announced the launch of CT430 and CT431 isolated current sensors with 1MHz bandwidth and <1% total error over the full temperature range. The accurate and high-speed operation output allows customers to optimize the system design for higher efficiency and smaller size.
• May 2021 - Avalanche Technology announced the availability of new space-grade parallel asynchronous x16-interface high-reliability P-SRAM (Persistent SRAM) memory devices based on its latest Spin Transfer Torque Magneto-resistive RAM (STT-MRAM) technology. These new products require 1/12th of the board space required by Toggle-MRAM-based products for aerospace applications, and they consume 1/4th of the power consumed by Toggle MRAM during reading operations.

Additional Benefits:

• The market estimate (ME) sheet in Excel format
• 3 months of analyst support

• 1 INTRODUCTION

  • 1.1 Study Assumptions and Market Definition

  • 1.2 Scope of the Study

• 2 RESEARCH METHODOLOGY

• 3 EXECUTIVE SUMMARY

• 4 MARKET DYNAMICS

  • 4.1 Market Overview

  • 4.2 Market Drivers

    • 4.2.1 Increasing Demand for Spintronics in Electronic Devices, Due to Lesser Power Consumption

    • 4.2.2 Rising Need for Higher Data Transfer Speed and Increased Storage Capacity

  • 4.3 Market Challenges

  • 4.4 Industry Value Chain Analysis

  • 4.5 Industry Attractiveness - Porter's Five Forces Analysis

    • 4.5.1 Threat of New Entrants

    • 4.5.2 Bargaining Power of Buyers

    • 4.5.3 Bargaining Power of Suppliers

    • 4.5.4 Threat of Substitute Products

    • 4.5.5 Intensity of Competitive Rivalry

  • 4.6 Assessment of the COVID-19 Impact on the Market

• 5 SPINTRONICS PATENT LANDSCAPE

• 6 MARKET SEGMENTATION

  • 6.1 Type of Device

    • 6.1.1 Metal-based Devices

      • 6.1.1.1 Giant Magneto Resistance-based Device (GMRs)
      • 6.1.1.2 Tunnel Magneto Resistance-based Device (TMRs)
      • 6.1.1.3 Spin-transfer Torque Device
      • 6.1.1.4 Spin-wave Logic Device

    • 6.1.2 Semiconductor-based Device

      • 6.1.2.1 Spin Diode
      • 6.1.2.2 Spin Filter
      • 6.1.2.3 Spin Field-effect Transistor (FETs)

  • 6.2 Application

    • 6.2.1 Electric Vehicle and Industrial Motor

    • 6.2.2 Data Storage/MRAM

    • 6.2.3 Magnetic Sensing

    • 6.2.4 Other Applications

  • 6.3 Geography

    • 6.3.1 North America

    • 6.3.2 Europe

    • 6.3.3 Asia-Pacific

    • 6.3.4 Rest of the World

• 7 COMPETITIVE LANDSCAPE

  • 7.1 Company Profiles

    • 7.1.1 NVE Corporation

    • 7.1.2 Everspin Technologies Inc

    • 7.1.3 Spin Memory Inc

    • 7.1.4 Crocus Technology

    • 7.1.5 Synopsys (QuantumWise)

    • 7.1.6 Avalanche Technology

• 8 INVESTMENT ANALYSIS

• 9 FUTURE OF THE MARKET