Un nuevo tipo de memoria de computadora puede reducir significativamente el consumo de energía y mejorar el rendimiento

Un nuevo tipo de memoria de computadora puede reducir significativamente el consumo de energía y mejorar el rendimiento

Imágenes TEM transversales y mediciones de rayos X de dispersión de energía a partir de escaneo TEM anular de alto ángulo para varias películas delgadas. (A) HfO puroX depositado a 400°C. Cristalitos transparentes son visibles en la película; las flechas rojas indican algunos límites de grano. (B) HfO puroX depositado a 30°C. Aunque estas películas no son policristalinas como el HfO puroX depositadas a 400°C, tampoco son tan homogéneas como las películas compuestas que se muestran en (C). (C) Las películas delgadas que dieron parámetros eléctricos estables son amorfas o nanocristalinas. Se pueden ver algunas estructuras en forma de pilares, marcadas con flechas rojas. La adición de Ba a la película conduce claramente a la homogeneidad del material al inhibir la cristalización. (D) Escaneo TEM de campo oscuro anular de ángulo alto (HAADF-STEM), aproximación de algunos pilares. Además, en los videos se pueden ver nanopartículas más oscuras; cuatro partículas seleccionadas al azar están marcadas con círculos rojos. (E) Imagen HAADF-STEM que muestra el área escaneada con EDX y la distribución de elementos Hf y Ba. (F) Resultados de escaneo EDX lineal obtenidos del área indicada en (E). Las áreas oscuras en la imagen HAADF-STEM contienen más Ba que las más brillantes. La relación entre Ba y Hf en los pilares es de aproximadamente 0,25 a 0,33, lo que es consistente con el análisis de retrodispersión de Rutherford que se analiza más adelante. Préstamo: Progreso de la ciencia (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg1946

Los investigadores han desarrollado un nuevo diseño de memoria de computadora que podría mejorar significativamente el rendimiento y reducir las demandas de energía de Internet y las tecnologías de comunicación, que se prevé que utilicen casi un tercio de la electricidad mundial en los próximos diez años.

Investigadores dirigidos por la Universidad de Cambridge han desarrollado un dispositivo que procesa datos de manera similar a las sinapsis en el cerebro humano. Los dispositivos se basan en óxido de hafnio, un material que ya se utiliza en la industria de los semiconductores, y diminutas barreras autoensambladas que se pueden subir o bajar para permitir el flujo de electrones.

Este método de cambiar la resistencia eléctrica en los dispositivos de memoria de la computadora y permitir que el procesamiento de la información y la memoria existan en el mismo lugar podría conducir al desarrollo de dispositivos de memoria de la computadora con una densidad mucho mayor, un mayor rendimiento y un menor consumo de energía. Los resultados se publican en la revista Progreso de la ciencia.

Nuestro mundo hambriento de datos ha llevado a un aumento en la demanda de energía, lo que hace que sea aún más difícil reducir las emisiones de carbono. En los próximos años, se espera que la inteligencia artificial, el uso de Internet, los algoritmos y otras tecnologías basadas en datos consuman más del 30 % de la electricidad mundial.

“En gran medida, esta explosión en la demanda de energía se debe a las deficiencias de las tecnologías de memoria informática actuales”, dijo el primer autor, el Dr. Markus Hellenbrand, del Departamento de Ciencia de Materiales y Metalurgia de Cambridge. “En las computadoras convencionales, hay memoria en un lado y procesamiento en el otro, y los datos se mezclan entre los dos, lo que requiere energía y tiempo”.

Una posible solución al problema de la memoria informática ineficiente es un nuevo tipo de tecnología conocida como memoria de conmutación resistiva. Los dispositivos de memoria convencionales pueden asumir dos estados: uno o cero. Sin embargo, un dispositivo de memoria de conmutación resistiva en funcionamiento sería capaz de una gama continua de estados: los dispositivos de memoria de computadora basados ​​en este principio serían capaces de una densidad y velocidad mucho mayores.

“Una memoria USB típica de alcance continuo, por ejemplo, podría contener de 10 a 100 veces más información”, dijo Hellenbrand.

Hellenbrand y sus colegas desarrollaron un dispositivo prototipo basado en óxido de hafnio, un material aislante que ya se usa en la industria de los semiconductores. El problema de usar este material para aplicaciones de memoria de conmutación resistiva se conoce como problema de uniformidad. A nivel atómico, el óxido de hafnio no tiene estructura y los átomos de hafnio y oxígeno se mezclan aleatoriamente, lo que dificulta su uso en aplicaciones de memoria.

Sin embargo, los investigadores encontraron que al agregar bario a capas delgadas de óxido de hafnio, algunas estructuras inusuales perpendiculares al plano del óxido de hafnio comenzaron a formarse en el material compuesto.

Estos “puentes” verticales ricos en bario están altamente estructurados y permiten que los electrones fluyan mientras el óxido de hafnio circundante permanece sin estructura. En el punto de contacto de estos puentes con los contactos del dispositivo se ha creado una barrera de energía que puede ser atravesada por electrones. Los científicos pudieron controlar la altura de esta barrera, que a su vez cambia la resistencia eléctrica del material compuesto.

“Esto permite que existan múltiples estados en el material, a diferencia de la memoria convencional, que tiene solo dos estados”, dijo Hellenbrand.

A diferencia de otros materiales compuestos que requieren métodos de producción costosos a altas temperaturas, los compuestos de óxido de hafnio se autoensamblan a bajas temperaturas. El material compuesto mostró un alto nivel de rendimiento y uniformidad, lo que lo hace muy prometedor para las aplicaciones de memoria de próxima generación.

La patente de la tecnología fue presentada por Cambridge Enterprise, el brazo de comercialización de la universidad.

“Lo realmente emocionante de estos materiales es que pueden actuar como sinapsis en el cerebro: pueden almacenar y procesar información en el mismo lugar que lo hace nuestro cerebro, lo que los hace muy prometedores para los campos de rápido crecimiento de la inteligencia artificial y las máquinas. aprendizaje”, dijo. Helenbrand.

Los investigadores ahora están colaborando con la industria para realizar estudios de viabilidad de materiales más amplios para comprender mejor cómo se fabrican las estructuras de alto rendimiento. Dado que el óxido de hafnio ya es un material utilizado en la industria de los semiconductores, según los investigadores, no sería difícil integrarlo en los procesos de fabricación existentes.

Más información:
Markus Hellenbrand et al., Diseño de película delgada de nanocompuestos de óxido de hafnio amorfo que permite una fuerte uniformidad de conmutación resistiva interfacial, Progreso de la ciencia (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg1946

Proporcionado por la Universidad de Cambridge


Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *