Technofielen die dromen van mobiele apparaten die langer op lichtere, slankere batterijen kunnen snel merken dat hun wens is ingewilligd.

Ingenieurs van de University of Illinois hebben een vorm van ultra-low-power digitaal geheugen ontwikkeld dat sneller is en 100 keer minder energie verbruikt dan vergelijkbaar beschikbaar geheugen. De technologie zou toekomstige draagbare apparaten een veel langere levensduur van de batterij kunnen geven tussen oplaadbeurten.

Onder leiding van professor elektrotechniek en computertechniek Eric Pop, het team zal zijn resultaten publiceren in een komende uitgave van Wetenschap magazine en online in de 10 maart Wetenschap Express.

"Ik denk dat iedereen die te maken heeft met veel opladers en elke nacht dingen in het stopcontact steekt, zich kan voorstellen dat ze een mobiele telefoon of laptop willen waarvan de batterijen weken of maanden meegaan, " zei pap, die ook verbonden is aan het Beckman Institute for Advanced Science and Technology in Illinois.

Het flashgeheugen dat tegenwoordig in mobiele apparaten wordt gebruikt, slaat bits op als lading, die hoge programmeerspanningen vereist en relatief langzaam is. De industrie verkent sneller, maar faseveranderingsmaterialen met een hoger vermogen (PCM) als alternatief. In het PCM-geheugen wordt een bit opgeslagen in de weerstand van het materiaal, die schakelbaar is.

De groep van Pop verlaagde het vermogen per bit tot 100 keer minder dan het bestaande PCM-geheugen door zich te concentreren op één eenvoudige, maar belangrijke factor:grootte.

In plaats van de standaard voor metaaldraden in de industrie, de groep gebruikte koolstofnanobuisjes, kleine buisjes met een diameter van slechts enkele nanometers - 10, 000 keer kleiner dan een mensenhaar.

"Het energieverbruik wordt in wezen geschaald met het volume van de geheugenbit, " zei afgestudeerde student Feng Xiong, de eerste auteur van het artikel. "Door contacten op nanoschaal te gebruiken, we zijn in staat om een ​​veel lager energieverbruik te realiseren."

Om een ​​beetje te creëren, de onderzoekers plaatsen een kleine hoeveelheid PCM in een opening op nanoschaal die is gevormd in het midden van een koolstofnanobuis. Ze kunnen het bit "aan" en "uit" schakelen door kleine stroompjes door de nanobuis te laten gaan.

"Koolstofnanobuisjes zijn de kleinste bekende elektronische geleiders, ' zei Pop. 'Ze zijn beter dan welk metaal dan ook in het leveren van een kleine stroomstoot om het PCM-bit te zappen.'

Nanobuisjes hebben ook een buitengewone stabiliteit, omdat ze niet vatbaar zijn voor de degradatie die metaaldraden kan teisteren. In aanvulling, de PCM die als de eigenlijke bit fungeert, is immuun voor onbedoeld wissen van een passerende scanner of magneet.

De low-power PCM-bits kunnen worden gebruikt in bestaande apparaten met een aanzienlijke verlenging van de levensduur van de batterij. Direct, een smartphone gebruikt ongeveer een watt aan energie en een laptop draait op meer dan 25 watt. Een deel van die energie gaat naar het scherm, maar een toenemend percentage is gewijd aan het geheugen.

"Elke keer dat u een app gebruikt, of het opslaan van mp3's, of video's streamen, het trekt de batterij leeg, " zei Albert Liao, een afgestudeerde student en co-auteur. "Het geheugen en de processor werken hard om gegevens op te halen. Naarmate mensen hun telefoons minder gebruiken om te bellen en meer te computeren, het verbeteren van de gegevensopslag en het ophalen van gegevens is belangrijk."

Pop gelooft dat samen met verbeteringen in weergavetechnologie, het nanobuisje PCM-geheugen kan de energie-efficiëntie van een iPhone verhogen, zodat deze langer op een kleinere batterij kan werken, of zelfs tot het punt waarop het zou kunnen draaien door simpelweg zijn eigen thermiek te oogsten, mechanische of zonne-energie – geen batterij nodig.

And device junkies will not be the only beneficiaries.

"We're not just talking about lightening our pockets or purses, " Pop said. "This is also important for anything that has to operate on a battery, such as satellites, telecommunications equipment in remote locations, or any number of scientific and military applications."

In aanvulling, ultra-low-power memory could cut the energy consumption – and thus the expense – of data storage or supercomputing centers by a large percentage. The low-power memory could also enable three-dimensional integration, a stacking of chips that has eluded researchers because of fabrication and heat problems.

The team has made and tested a few hundred bits so far, and they want to scale up production to create arrays of memory bits that operate together. They also hope to achieve greater data density through clever programming such that each physical PCM bit can program two data bits, called multibit memory.

The team is continuing to work to reduce power consumption and increase energy efficiency even beyond the groundbreaking savings they've already demonstrated.

"Even though we've taken one technology and shown that it can be improved by a factor of 100, we have not yet reached what is physically possible. We have not even tested the limits yet. I think we could lower power by at least another factor of 10, " Pop said.