Инженеры Стэнфордского университета преодолели ключевое препятствие, ограничивавшее широкое распространение памяти с фазовым переходом. Результаты опубликованы 10 сентября в журнале Science, пишет eurekalert.org.
Ученые потратили десятилетия на поиск более быстрых и энергоэффективных технологий памяти для всего, от крупных центров обработки данных до мобильных датчиков и другой гибкой электроники. Среди наиболее многообещающих технологий хранения данных - память с фазовым переходом, которая в тысячи раз быстрее обычных жестких дисков, но потребляет много электроэнергии. Теперь инженеры Стэнфордского университета преодолели ключевое препятствие, ограничивавшее широкое распространение памяти с фазовым переходом.
«Люди давно ожидали, что память с фазовым переходом заменит большую часть памяти в наших телефонах и ноутбуках, - сказал Эрик Поп, профессор электротехники и старший автор исследования. - Одна из причин, по которой он не был принят, заключается в том, что это требует больше энергии для работы, чем конкурирующие технологии памяти. В нашем исследовании мы показали, что память с фазовым переходом может быть как быстрой, так и энергоэффективной».
В отличие от обычных микросхем памяти, построенных на транзисторах и другом аппаратном обеспечении, типичное запоминающее устройство с фазовым переходом состоит из трех химических элементов - германия, сурьмы и теллура (GST), зажатых между двумя металлическими электродами.
Обычные устройства, такие как флэш-накопители, хранят данные, включая и выключая поток электронов, и этот процесс обозначается цифрами 1 и 0. В памяти с фазовым переходом единицы и нули представляют собой измерения электрического сопротивления материала GST - насколько он сопротивляется потоку электричества.
«Типичное запоминающее устройство с фазовым переходом может хранить два состояния сопротивления: состояние высокого сопротивления 0 и состояние низкого сопротивления 1, - сказал кандидат в докторантуру Асир Интисар Хан, соавтор исследования. - Мы можем переключаться с 1 на 0 и обратно за наносекунды, используя тепло от электрических импульсов, генерируемых электродами».
Нагревание примерно до 300 градусов по Фаренгейту (150 градусов по Цельсию) превращает соединение GST в кристаллическое состояние с низким электрическим сопротивлением. При температуре около 1100 F (600 C) кристаллические атомы становятся неупорядоченными, переводя часть соединения в аморфное состояние с гораздо более высоким сопротивлением. Большая разница в сопротивлении между аморфным и кристаллическим состояниями используется для программирования памяти и хранения данных.
«Это большое изменение сопротивления обратимо и может быть вызвано включением и выключением электрических импульсов», - сказал Хан. «Вы можете вернуться через несколько лет и прочитать память, просто считывая сопротивление каждого бита, - сказал Поп. - Кроме того, после того, как память установлена, она не потребляет энергии, как флеш-накопитель».
Но переключение между состояниями обычно требует большого количества энергии, что может сократить срок службы батареи в мобильной электронике. Чтобы решить эту проблему, команда Стэнфордского университета намеревалась разработать ячейку памяти с фазовым переходом, которая работает с низким энергопотреблением и может быть встроена в гибкие пластиковые подложки, обычно используемые в сгибаемых смартфонах, переносных телесных датчиках и другой мобильной электронике с батарейным питанием.
«Эти устройства требуют низкой стоимости и низкого энергопотребления для эффективной работы системы, - сказал соавтор исследования Алвин Даус. - Но многие гибкие подложки теряют свою форму или даже плавятся при температуре около 390 F (200 C) и выше».
В ходе исследования Даус и его коллеги обнаружили, что пластиковая подложка с низкой теплопроводностью может помочь уменьшить ток в ячейке памяти, позволяя ей работать эффективно.
«Наше новое устройство снизило плотность тока программирования в 10 раз на гибкой подложке и в 100 раз на жестком кремнии, - сказал Поп. - В наш секретный соус вошли три ингредиента: сверхрешетка, состоящая из наноразмерных слоев материала с памятью, поровая ячейка - наноразмерное отверстие, в которое мы вставили слои сверхрешетки - и термоизолирующая гибкая подложка. Вместе они значительно повысили энергоэффективность».
Возможность установки быстрой и энергоэффективной памяти на мобильных и гибких устройствах может позволить использовать широкий спектр новых технологий, таких как датчики реального времени для умных домов и биомедицинские мониторы.
«Датчики имеют высокие ограничения по сроку службы батареи, и сбор необработанных данных для отправки в облако очень неэффективен с точки зрения энергопотребления, - сказал Даус. - Если вы можете обрабатывать данные локально, для чего требуется память, это будет очень полезно для внедрения Интернета вещей».
Память с фазовым переходом также может открыть новое поколение сверхбыстрых вычислений.
«Сегодняшние компьютеры имеют отдельные микросхемы для вычислений и памяти, - сказал Хан. - Они вычисляют данные в одном месте и хранят их в другом. Данные должны перемещаться туда и обратно, что крайне неэффективно с точки зрения энергопотребления».
Память с фазовым переходом может позволить выполнять вычисления в памяти, что устраняет разрыв между вычислениями и памятью. Для вычислений в памяти потребуется устройство с фазовым переходом с несколькими состояниями сопротивления, каждое из которых способно хранить память.
«Типичная память с фазовым переходом имеет два устойчивых состояния: высокое и низкое, - сказал Хан. - Мы запрограммировали четыре стабильных состояния сопротивления, а не только два, что стало важным первым шагом на пути к гибким вычислениям в памяти». Память с фазовым переходом также может использоваться в крупных центрах обработки данных, где на хранение данных приходится около 15 процентов потребления электроэнергии.
«Основная привлекательность памяти с фазовым переходом - это скорость, но энергоэффективность в электронике также имеет значение, - сказал Поп. - Это не просто второстепенная мысль. Все, что мы можем сделать для создания электроники с низким энергопотреблением и продления срока службы батарей, окажет огромное влияние».
Фото: rawpixel / 123RF
