Experimenty směřují k paměťovým čipům 1 000krát rychleji než v dnešní době

Let's use video to reinvent education | Salman Khan (Smět 2019).

Anonim

Silikonové paměťové čipy se dodávají ve dvou širokých typech: volatilní paměť, jako je počítačová paměť RAM, která ztrácí data při vypnutí napájení, a energeticky nezávislé technologie, které ukládají informace i po vypnutí našich smartphonů.

Obecně je volatilní paměť mnohem rychlejší než nevratné ukládání, takže inženýři často vyvažují rychlost a retenci při výběru nejlepší paměti pro úkol. Proto je pro trvalé ukládání používán pomalejší záblesk. Speedy RAM na druhé straně pracuje s procesory pro ukládání dat během výpočtů, protože pracuje při rychlostech naměřených v nanosekundách nebo v miliardách sekundy.

Studie vedená Stanfordem ukazuje, že nově vznikající paměťová technologie, založená na nové třídě polovodičových materiálů, by mohla přinést to nejlepší z obou světů a trvalé ukládání dat, přičemž některé operace by se mohly projevit až tisíckrát rychleji než dnešní paměťové zařízení. Nový přístup může být také energeticky účinnější.

"Tato práce je zásadní, ale slibná, " řekl Aaron Lindenberg, docent vědy a inženýrství materiálů na Stanfordu a fotonové vědy v laboratoři SLAC National Accelerator Laboratory. "Tisícinásobný nárůst rychlosti spojený s nižší spotřebou energie naznačuje cestu k budoucím paměťovým technologiím, která by mohla daleko předstihnout vše, co bylo předtím demonstrováno."

Lindenberg vedl 19-členný tým, včetně vědeckých pracovníků ve společnosti SLAC, kteří podrobně popsali experimenty ve fyzických revizích.

Jejich nálezy poskytují nové poznatky o experimentální technologii paměti s fázovou změnou.

Zadání nové fáze

Dnes jsou paměťové čipy běžně založeny na silikonových technologiích, které efektivně přepínají a vypínají elektronové toky, představující ty a nuly, které řídí digitální software. Ale vědci pokračují v hledání nových materiálů a procesů, které využívají méně energie a vyžadují méně prostoru než křemíkové roztoky.

Paměť s výměnou fází je jednou z možných technologií nové generace. Vědci již nějakou dobu vědí, že některé materiály mají pružné atomové struktury, které nabízejí zajímavé elektronické možnosti.

Například materiály fázové změny mohou existovat ve dvou různých atomových strukturách, z nichž každá má jiný elektronický stav. Krystalická nebo uspořádaná atomová struktura umožňuje proud elektronů, zatímco amorfní nebo nesourodé struktura brání toku elektronů.

Výzkumníci vyvinuli způsoby, jak překlopit strukturální a elektronické stavy těchto materiálů - změnou jejich fáze z jedné na nulu a zpět - použitím krátkých výbojů tepla dodávaných elektricky nebo opticky.

Materiály pro změnu fáze jsou atraktivní jako paměťová technologie, protože si uchovávají jakýkoli elektronický stav, který odpovídá jejich struktuře. Jakmile jejich atomy převrácenou nebo flopem vytvoří jednu nebo nulu, materiál uchovává tato data, dokud se další změna energie nezmění. Tato schopnost uchovávat uložená data činí paměť pro změnu fáze nevratnou stejně jako flashová paměť založená na křemíku v smartphonech.

Ale trvalé ukládání je pouze jeden požadovaný atribut. Paměťová technologie nové generace musí také provádět určité operace rychleji než současné čipy. Pomocí velmi přesných měření a přístrojů se výzkumníci snažili demonstrovat rychlost a energetický potenciál technologie fázových změn - a to, co našli, bylo povzbudivé.

"Nikdo ještě nikdy nebyl schopen tyto procesy prozkoumat v tak rychlém časovém měřítku, " řekl Lindenberg.

Rychlejší fáze

Nový výzkum se zaměřil na nepředstavitelně krátký interval, kdy amorfní struktura začala přecházet na krystalickou, když se digitální nula stala digitální. Tato přechodná fáze - kde náboj protéká amorfní strukturou jako v krystalu - je známý jako "amorfní on".

V přítomnosti sofistikovaného detekčního systému vyskočili badatelé z Stanfordu malý vzorek amorfního materiálu s elektrickým polem srovnatelným v síle s úderem blesku. Jejich přístrojové vybavení zjistilo, že amorfní stav - iniciování flipu z nuly na jeden - se objevil méně než pikosekunda poté, co se na něj střelil.

Chcete-li pochopit stručnost pikosekundy, je zhruba čas, který by vyžadoval paprsek světla, který cestoval rychlostí 186 000 mil za sekundu, aby prošel dvěma kusy papíru.

Ukázalo se, že materiály s fázovou změnou mohou být transformovány z nuly na jednu pikosekundovou excitací a naznačují, že tato vznikající technologie může ukládat data mnohokrát rychleji než křemíková RAM pro úkoly, které vyžadují, aby paměť a procesory spolupracovaly při výpočtech.

Prostor je vždy v úvahu při konstrukci a předchozí experimenty ukázaly, že technologie fázových změn má potenciál zabalit více dat v menším prostoru, což mu dává výhodnou hustotu ukládání.

Vezmeme-li v úvahu energii, vědci tvrdí, že elektrické pole, které vyvolalo změnu fáze, bylo tak krátké, že ukazuje na proces ukládání, který by mohl být účinnější než dnešní technologie na bázi křemíku.

Konečně, ačkoli tento experiment nedokázal přesně stanovit, kolik času by bylo zapotřebí k úplnému převrácení atomového uspořádání z amorfního na krystalický nebo zpětný, tyto výsledky naznačují, že materiály s fázovou změnou mohou provádět rychlé paměťové práce a trvalé ukládání - v závislosti na tom, jak dlouho tepelné buzení je navrženo tak, aby zůstalo uvnitř materiálu.

Zůstává hodně práce, aby se tento objev stal do funkčních paměťových systémů. Nicméně dosažení takové rychlosti použitím techniky spínání nízké energie na materiálu, který může ukládat více informací v menším prostoru, naznačuje, že technologie fázových změn má potenciál pro revoluci ukládání dat.

"Nová technologie, která vykazuje tisícinásobnou výhodu oproti stávajícím technologiím, je přesvědčivá, " uvedla Lindenbergová. "Myslím, že jsme ukázali, že fázová změna si zaslouží další pozornost."

menu
menu