Pamięci zmiennofazowe mogą w końcu trafić w nasze ręce

[KopalniaWiedzy.pl 357]

Inżynierowie od dziesięcioleci szukają coraz szybciej działających i coraz bardziej efektywnych pod względem energetycznym układów pamięci. Jedną z najbardziej obiecujących technologii są pamięci zmiennofazowe. Układy takie działają tysiące razy szybciej niż dyski twarde. Są jednak bardzo energochłonne.

Od dawna oczekujemy, że pamięci zmiennofazowe zastąpią obecnie stosowane nośniki pamięci w smartfonach i laptopach. Jedną z przyczyn, dla których tak się nie stało, jest fakt, iż pamięci te zużywają znacznie więcej energii niż konkurencyjne technologie, mówi profesor Eric Pop z Uniwersytetu Stanforda. Pop wraz ze swoimi kolegami właśnie poinformowali pokonaniu kluczowej przeszkody, które uniemożliwiała rozpowszechnienie się pamięci zmiennofazowych.

Standardowy układ pamięci zbudowany jest z tranzystorów i innych elementów. Tymczasem układy zmiennofazowe składają się z mieszaniny germanu, antymonu i telluru (GST), zamkniętej pomiędzy elektrodami.

W tradycyjnych układach, jak np. kościach flash, dane są przechowywane w wyniku przełączania stanu tranzystora za pomocą prądu elektrycznego, co jest symbolizowane za pomocą cyf 1 i 0. W układach zmiennofazowych 1 i 0 symbolizują wynik pomiaru oporu elektrycznego GST. Typowa pamięć zmiennofazowa może przechowywać informacje o dwóch stanach oporności. Wysoka oporność symbolizowana jest przez 0, a niska oporność przez 1. Używając ciepła generowanego przez elektrody możemy przełączać pomiędzy 0 a 1 w ciągu nanosekund, wyjaśnia współautor badań, doktorant Asir Intisar Khan.

Podgrzanie do około 150 stopni Celsjusza zmienia GST w kryształ o niskiej oporności. W temperaturze 600 stopni Celsjusza zachodzi zaś zmiana w stan amorficzny o znacznie większej oporności. Różnice w oporności są na tyle duże, że można w nich przechowywać dane. Są przy tym całkowicie odwracalne za pomocą impulsów elektrycznych podgrzewających GST. Pamięć tego typu jest niezwykle trwała. Możesz wrócić do niej po latach i bez problemu odczytać poziom oporności każdego bitu. Utrzymanie konkretnego stanu pamięci nie wymaga energii, mówi profesor Pop.

Jednak dotychczas przełączanie pomiędzy obiema fazami wymagało użycia tak dużej ilości energii, że bardzo szybko wyczerpywałyby się baterie w urządzeniach mobilnych. Naukowcy ze Stanforda rozpoczęli więc prace nad takimi pamięciami zmiennofazowymi, które zużywałyby znacznie mniej energii i można by je było umieścić na elastycznych podłożach z tworzyw sztucznych, używanych w zginanych smartfonach, ubieralnych czujnikach i innej przenośnej elektronice.

Takie urządzenia potrzebują tanich i energooszczędnych podzespołów. Jednak wiele elastycznych substratów traci kształt lub nawet roztapia się w temperaturze około 200 stopni Celsjusza i niższej, mówi Alwin Daus. To właśnie on i jego koledzy odkryli, że plastikowe substraty o niskim przewodnictwie cieplnym mogą umożliwić zmniejszenie przepływu prądu w komórkach pamięci zmiennofazowych, powodując, że będą one efektywniej działały.

Nasze urządzenie ma 10-krotnie niższą gęstość prądu przełączania gdy jest umieszczone na elastycznym substracie i 100-krotnie mniejszą gdy znajduje się na sztywnym krzemie, wyjaśnia profesor Pop. Uczony dodaje, że kluczem do sukcesu było zastosowanie trzech składników. Są to superkratownica złożona z nanometrowej wielkości warstw materiału przechowującego dane, porowata komórka, czyli otwór nanometrowej wielkości wewnątrz którego znajdują się warstwy superkratownic oraz izolujące termicznie elastyczne podłoże. Razem wszystko to znakomicie poprawiło efektywność energetyczną układu pamięci.

Pamięci zmiennofazowe mogą znaleźć bardzo szerokie zastosowania. W przyszłości trafią do przenośnej elektroniki i różnego typu czujników. Czujniki mają bardzo wyśrubowane wymagania co do czasu pracy na bateriach. Zbieranie surowych danych i ich przesyłanie do chmury to proces bardzo nieefektywny. Jeśli moglibyśmy lokalnie przetwarzać dane, do czego potrzebny jest układ pamięci, znakomicie ułatwiłoby to rozwój Internet of Thing, mówi Daus.

Jednak pamięci zmiennofazowe mogą tez znakomicie zwiększyć wydajność komputerów. Współczesne komputery korzystają z osobnych układów do przetwarzania i przechowywania danych. Informacje są przetwarzane w jednym układzie i wysyłane do innego, który je przechowuje. Dane ciągle wędrują w tę i z powrotem, a to proces długotrwały i bardzo nieefektywny energetycznie, dodaje Khan. Pamięci zmiennofazowe mogłyby zaś przetwarzać dane w miejscu ich przechowywania. Jednak takie rozwiązanie wymagałoby opracowania zmiennofazowego urządzenia o wielu stanach oporności, z których każdy musiałby być zdolny do przechowywania informacji. Typowa pamięć zmiennofazowa ma dwa stany oporności: wysoki i niski. Nam udało się zaprogramować cztery stabilne stany oporności. A to już ważny krok w kierunku przetwarzania danych w układach pamięci, informuje Khan.

« powrót do artykułu