(Phys.org) —Resistive geheugencellen (ReRAM) worden beschouwd als een veelbelovende oplossing voor toekomstige generaties computergeheugens. Ze zullen het energieverbruik van moderne IT-systemen drastisch verminderen en tegelijkertijd hun prestaties aanzienlijk verhogen. In tegenstelling tot de bouwstenen van conventionele harde schijven en geheugens, deze nieuwe geheugencellen zijn niet louter passieve componenten, maar moeten worden beschouwd als kleine batterijen. Dit hebben onderzoekers van Jülich Aachen Research Alliance (JARA) aangetoond, wiens bevindingen nu zijn gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Natuurcommunicatie . De nieuwe bevinding herziet de huidige theorie radicaal en opent mogelijkheden voor verdere toepassingen. De onderzoeksgroep heeft al een octrooiaanvraag ingediend voor hun eerste idee om de data-uitlezing te verbeteren met behulp van batterijspanning.

Conventioneel datageheugen werkt op basis van elektronen die worden verplaatst en opgeslagen. Echter, zelfs volgens atomaire normen, elektronen zijn extreem klein. Het is erg moeilijk om ze onder controle te houden, bijvoorbeeld door middel van relatief dikke isolatiewanden, zodat er na verloop van tijd geen informatie verloren gaat. Dit beperkt niet alleen de opslagdichtheid, het kost ook veel energie. Om deze reden, overal ter wereld werken onderzoekers koortsachtig aan nano-elektronische componenten die gebruik maken van ionen, d.w.z. geladen atomen, voor het opslaan van gegevens. Ionen zijn enkele duizenden keren zwaarder dan elektronen en zijn daardoor veel gemakkelijker 'vast te houden'. Op deze manier, de afzonderlijke opslagelementen kunnen bijna worden teruggebracht tot atomaire afmetingen, wat de opslagdichtheid enorm verbetert.

In resistief schakelende geheugencellen (ReRAM's), ionen gedragen zich op nanometerschaal op dezelfde manier als een batterij. De cellen hebben twee elektroden, bijvoorbeeld gemaakt van zilver en platina, waarbij de ionen oplossen en weer neerslaan. Hierdoor verandert de elektrische weerstand, die kunnen worden misbruikt voor gegevensopslag. Verder, de reductie- en oxidatieprocessen hebben nog een ander effect. Ze wekken elektrische spanning op. ReRAM-cellen zijn daarom geen puur passieve systemen, het zijn ook actieve elektrochemische componenten. Bijgevolg, ze kunnen worden beschouwd als kleine batterijen waarvan de eigenschappen de sleutel vormen tot de juiste modellering en ontwikkeling van toekomstige gegevensopslag.

Bij complexe experimenten de wetenschappers van Forschungszentrum Jülich en RWTH Aachen University bepaalden de batterijspanning van typische vertegenwoordigers van ReRAM-cellen en vergeleken deze met theoretische waarden. Deze vergelijking bracht andere eigenschappen (zoals ionische weerstand) aan het licht die voorheen niet bekend of toegankelijk waren. "Terugkijken, de aanwezigheid van een batterijspanning in ReRAM's is vanzelfsprekend. Maar tijdens het negen maanden durende beoordelingsproces van het nu gepubliceerde artikel moesten we veel overtuigen, aangezien de batterijspanning in ReRAM-cellen drie verschillende basisoorzaken kan hebben, en de toewijzing van de juiste oorzaak is allesbehalve triviaal, " zegt dr. Ilia Valov, de elektrochemicus in de onderzoeksgroep van Prof. Rainer Waser.

De nieuwe bevinding is van centrale betekenis, vooral, voor de theoretische beschrijving van de geheugencomponenten. Daten, ReRAM-cellen zijn beschreven met behulp van het concept van memristors - een samentrekking van het woord "geheugen" en "weerstand". Het theoretische concept van memristors is terug te voeren op Leon Chua in de jaren zeventig. Het werd voor het eerst toegepast op ReRAM-cellen door het IT-bedrijf Hewlett-Packard in 2008. Het is gericht op de permanente opslag van informatie door de elektrische weerstand te veranderen. De memristortheorie leidt tot een belangrijke beperking. Het is beperkt tot passieve componenten. "De aangetoonde interne batterijspanning van ReRAM-elementen schendt duidelijk de wiskundige constructie van de memristortheorie. Deze theorie moet worden uitgebreid tot een geheel nieuwe theorie - om de ReRAM-elementen correct te beschrijven, " zegt dr. Eike Linn, dé specialist voor circuitconcepten in de auteursgroep. Dit plaatst ook de ontwikkeling van alle micro- en nano-elektronische chips op een geheel nieuw peil.

"De nieuwe bevindingen zullen helpen bij het oplossen van een centrale puzzel van internationaal ReRAM-onderzoek, " zegt prof. Rainer Waser, plaatsvervangend woordvoerder van het in 2011 opgerichte onderzoekscentrum SFB 917 'Nanoswitches'. deze raadselachtige aspecten omvatten onverklaarbare driftverschijnselen op lange termijn of systematische parameterafwijkingen, die waren toegeschreven aan fabricagemethoden. "In het licht van deze nieuwe kennis, het is mogelijk om het ontwerp van de ReRAM-cellen specifiek te optimaliseren, en het is misschien mogelijk om nieuwe manieren te ontdekken om de batterijspanning van de cellen te benutten voor geheel nieuwe toepassingen, die voorheen buiten het bereik van technische mogelijkheden lagen, " voegt Waser toe, wiens groep al jaren samenwerkt met bedrijven als Intel en Samsung Electronics op het gebied van ReRAM-elementen.