De geheugenchips in telefoons, laptops en andere elektronische apparaten moeten klein zijn, snel en trek zo min mogelijk stroom. Voor jaren, siliciumchips hebben die belofte waargemaakt.

Maar om de levensduur van de batterij van mobiele gadgets drastisch te verlengen, en om datacenters te creëren die veel minder energie verbruiken, ingenieurs ontwikkelen geheugenchips op basis van nieuwe nanomaterialen met mogelijkheden die silicium niet kan evenaren.

In drie recente experimenten, Stanford-ingenieurs demonstreren post-siliciummaterialen en -technologieën die meer gegevens per vierkante inch opslaan en een fractie van de energie verbruiken van de huidige geheugenchips.

De rode draad in alle drie de experimenten is grafeen, een buitengewoon materiaal dat tien jaar geleden geïsoleerd was, maar dat tot nu, relatief weinig praktische toepassingen in de elektronica.

Een gezuiverd familielid van potlood, grafeen wordt gevormd wanneer koolstofatomen zich verbinden tot platen van slechts één atoom dik. Atoomdun grafeen is sterker dan staal, even geleidend als koper en heeft thermische eigenschappen die nuttig zijn in elektronica op nanoschaal.

"Grafeen is de ster van dit onderzoek, " zei Eric Pop, universitair hoofddocent elektrotechniek en een bijdrage aan twee van de drie geheugenprojecten. "Met deze nieuwe opslagtechnologieën, het zou denkbaar zijn om een ​​smartphone te ontwerpen die 10 keer zoveel data kan opslaan, minder batterijvermogen gebruiken, dan het geheugen dat we tegenwoordig gebruiken."

Professor H.-S. Philip Wong en Pop leidden een internationale groep medewerkers die drie grafeen-gecentreerde geheugentechnologieën beschrijven in afzonderlijke artikelen in Nature Communications, Nano Letters en Applied Physics Letters.

Hoewel consumenten de mobiele toepassing van deze nieuwe technologieën kunnen waarderen, ingenieurs denken dat post-siliciumgeheugenchips ook serverfarms kunnen transformeren die snel toegang moeten hebben tot de enorme hoeveelheden gegevens die in de cloud zijn opgeslagen.

"Gegevensopslag is een belangrijk, grootverbruiker van elektriciteit, en nieuwe solid-state geheugentechnologieën zoals deze kunnen ook cloud computing transformeren, ' zei Wong.

Geheugen make-over

Geheugenchips slaan gegevens op als een reeks enen en nullen. Tegenwoordig zijn de meeste geheugenchips gebaseerd op silicium, en zijn er in twee basistypen - vluchtig en niet-vluchtig. vluchtig geheugen, zoals willekeurig toegankelijk geheugen (RAM), biedt snelle maar tijdelijke opslag. Wanneer de stroom uitvalt, de nullen en enen verdwijnen.

Niet-vluchtig geheugen, zoals het flashgeheugen in mobiele telefoons, is traag maar stabiel. Zelfs als de batterij leeg is, blijven de gegevens behouden.

De door Stanford geleide ingenieurs laten zien hoe ze geheugen kunnen creëren met de snelheid van RAM en de persistentie van flash door nieuwe materialen en technologieën te gebruiken die minder energie nodig hebben dan silicium om de nullen en enen op te slaan.

In Natuurcommunicatie, Wong werkte samen met postdoctoraal collega Seunghyun Lee en promovendus Joon Sohn aan een techniek die bekend staat als resistief willekeurig toegankelijk geheugen. of kortweg RRAM.

In RRAM-chips, kleine elektrische schokken schakelen bepaalde metaaloxiden tussen resistieve en geleidende toestanden. Wanneer de metaaloxiden de stroom van elektronen weerstaan, dat creëert een nul. Wanneer de materialen elektronen geleiden, dat is een. RRAM is snel, zoals vluchtig siliciumgeheugen, maar net als flash-geheugen behoudt het opgeslagen gegevens wanneer de stroom wordt uitgeschakeld.

Dit werk demonstreert de mogelijkheid om niet-vluchtig RRAM te construeren terwijl gegevens dicht worden opgeslagen zonder meer energie te verbruiken.

Nieuwe fasen van het geheugen

In twee andere kranten gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven en Nano-letters , Pop en Wong leidden onderzoeksteams die grafeen gebruikten om vooruitgang te boeken met een andere maar conceptueel vergelijkbare opslagbenadering, phase-change-geheugen genoemd.

In het faseovergangsgeheugen, een kleine elektrische schok veroorzaakt een legering van germanium, antimoon en tellurium om de atomaire structuur te veranderen. Een schok verandert de atomen in een regelmatige, kristallijne structuur die elektronen laat stromen, genoteerd als een digitale. Een tweede schok maakt de structuur onregelmatig, of amorf, het creëren van een nul. Elke schok schakelt het faseovergangsmateriaal snel van één naar nul. Zoals RRAM, het behoudt zijn opgeslagen gegevens wanneer de stroom wordt uitgeschakeld.

In het artikel Applied Physics Letters, Pop leidde een team dat bestond uit voormalige studenten van de University of Illinois Urbana-Champaign en medewerkers van de universiteiten van Modena en Bologna in Italië. Ze gebruikten linten grafeen als ultradunne elektroden om geheugencellen met faseverandering te doorsnijden, als spiesjes die marshmallows spietsen. Deze opstelling maakte ook gebruik van de atomair dunne rand van grafeen om stroom in het materiaal te duwen, en van fase veranderen, weer op een uiterst energiezuinige manier.

In de Nano Letters-paper, Pop en Wong gebruikten zowel de elektrische als thermische eigenschappen van grafeen in een geheugenchip met faseverandering. Echter, in een draai, hier gebruikten ze het oppervlak van de grafeenplaat om contact te maken met de geheugenlegering met faseverandering. In essentie, het grafeen verhinderde dat de warmte uit het faseovergangsmateriaal lekte, het creëren van een energiezuinigere geheugencel.

Deze studies tonen aan dat grafeen verre van een laboratoriumnieuwsgierigheid is, Pop en Wong zeggen. De unieke elektrische, thermische en atomair dunne eigenschappen kunnen worden gebruikt om meer energie-efficiënte gegevensopslag te creëren. Dergelijke eigenschappen bestaan ​​niet in de siliciumwereld, maar kan de manier waarop we onze digitale gegevens opslaan en gebruiken in de toekomst mogelijk veranderen.