CBRAM (geleidend overbruggingsgeheugen voor willekeurige toegang) zou in de toekomst een fundamentele rol kunnen spelen in het geheugen door gegevens op te slaan in een niet-vluchtig (d.w.z. bijna permanente) manier. Om de afmetingen en het stroomverbruik van dergelijke componenten te verminderen, het is essentieel om hun gedrag op atomair niveau precies te begrijpen.

Mathieu Luisier, universitair hoofddocent aan de ETH Zürich, en zijn team bestudeerden dit type geheugen, die bestaat uit twee metalen elektroden gescheiden door een isolator. De onderzoekers ontwikkelden een computermodel van een CBRAM dat uit zo'n 4500 atomen bestaat en voldoet aan de wetten van de kwantummechanica die de microscopische wereld beheersen. Deze simulatie op atomaire schaal maakt het mogelijk om de intensiteit van de stroom die wordt gegenereerd door een metalen nanofilament nauwkeurig te beschrijven terwijl het zich vormt en oplost tussen de elektroden.

Tien atomen dik

"Dit is een enorme stap voorwaarts, " zegt Mathieu Luisier, die van 2011 tot 2016 SNSF-professor was aan de ETH Zürich. "Tot nu toe, bestaande modellen konden slechts ongeveer honderd atomen aan." Het nieuwe model reproduceert nauwkeurig de elektrische stroom en de energie die door de cel wordt gedissipeerd, op zijn beurt de berekening van de temperatuur mogelijk maken. De onderzoekers kunnen het effect waarnemen van veranderingen in de dikte van de isolator en de diameter van het metalen filament. De bevindingen, die werden gepresenteerd op de IEDM-conferentie in San Francisco in december 2017, laten zien dat het lokale stroomverbruik en de warmte worden verminderd als de twee elektroden dichter bij elkaar worden geplaatst. Maar slechts tot op zekere hoogte:elektroden die te dichtbij zijn, zijn onderhevig aan het kwantumtunneleffect, en de stroom ertussen is niet langer beheersbaar.

Het onderzoek toont aan dat in een optimale CBRAM-geometrie, de isolator is 1,5 tot 2 nanometer (ongeveer 10 atomen) dik. Fabricage is nog steeds een uitdaging, echter:machines die dergelijke afmetingen kunnen bereiken, gebruiken een lithografietechniek met thermische sondes die momenteel niet geschikt is voor massaproductie. "Vandaag, een typisch CMOS-type transistorkanaal meet ongeveer 20 nanometer, of tien keer dikker dan de CBRAM-isolatoren die we hebben onderzocht, " zegt Luisier. Bijgevolg, De wet van Moore - die voorspelt dat de grootte van elektronische componenten elke 18-24 maanden zal halveren - zou binnen tien jaar tegen een muur kunnen lopen.

Om hun 4500-atoommodel te bereiken, de onderzoekers profiteerden van toegang tot 's werelds op twee na krachtigste computer - Piz Daint - die zich in het Swiss National Supercomputing Center (CSCS) in Lugano bevindt en tot 20 miljoen miljard bewerkingen per seconde kan uitvoeren. Dit type onderzoek vereist 230 geavanceerde grafische kaarten; Piz Daint heeft er meer dan 4000. Elke kaart heeft zijn eigen CPU. "Zelfs met deze rekenkracht, het duurt ongeveer tien uur om één geheugen te simuleren en de elektrische eigenschappen ervan te bepalen, ' zegt Luisier.