Random access memory på en lavenergidiæt:Forskere udvikler grundlag for en ny hukommelseschip

Hukommelseschips er blandt de mest basale komponenter i computere. Random access memory er hvor processorer midlertidigt gemmer deres data, hvilket er en afgørende funktion. Det er nu lykkedes forskere fra Dresden og Basel at lægge grunden til et nyt hukommelseschip-koncept. Det har potentialet til at bruge betydeligt mindre energi end de chips, der er produceret til dato - dette er vigtigt ikke kun for mobile applikationer, men også for big data computing-centre. Resultaterne præsenteres i det seneste bind af det videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation .

De rent elektriske hukommelseschips, der almindeligvis bruges i dag, har en betydelig ulempe:"Denne hukommelse er flygtig, og dens tilstand skal løbende opdateres, " siger Dr. Tobias Kosub, første forfatter til undersøgelsen og post-doc forsker ved Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). "Det kræver ret meget energi." Konsekvenserne kan ses, for eksempel, på store computercentre. På den ene side, deres elregning stiger med øget computerkraft. På den anden side, chipsene opvarmes i stigende grad baseret på deres energiforbrug. Datacentrene får stadig sværere ved at sprede denne varme. Nogle cloud-operatører går så langt som til at opsætte deres serverfarme i kolde områder.

Der er et alternativ til disse elektriske hukommelseschips. MRAM'er gemmer data magnetisk og kræver derfor ikke konstant opdatering. De gør, imidlertid, kræver relativt store elektriske strømme for at skrive data til hukommelsen, hvilket reducerer pålideligheden:"De truer med at blive slidt for hurtigt og gå i stykker, hvis der opstår forstyrrelser under skrive- eller læseprocessen, " siger Kosub.

Elektrisk spænding i stedet for strøm

Den videnskabelige verden har derfor arbejdet på MRAM-alternativer i et stykke tid. En materialeklasse kaldet "magnetoelectric antiferromagnets" virker særligt lovende. Disse magneter aktiveres af en elektrisk spænding snarere end af en strøm. "Disse materialer kan ikke let kontrolleres, " forklarer HZDR gruppeleder Dr. Denys Makarov. "Det er svært at skrive data til dem og læse dem op igen." Hidtil har det været antaget, at disse magnetoelektriske antiferromagneter kun kan læses indirekte via ferromagneter, hvilken, imidlertid, ophæver mange af fordelene. Målet er derfor at producere en ren antiferromagnetisk magnetoelektrisk hukommelse (AF-MERAM).

Det er netop, hvad forskerholdene fra Dresden og Basel nu har formået at gøre. De udviklede en ny AF-MERAM-prototype baseret på et tyndt lag chromoxid. Denne indsættes - som et sandwichfyld - mellem to nanometertynde elektroder. Hvis en spænding påføres disse elektroder, kromoxidet "flipper" ind i en anden magnetisk tilstand - og biten skrives. Nøglen er, at et par volt er tilstrækkeligt. "I modsætning til andre begreber, vi kunne reducere spændingen med en faktor på halvtreds, " siger Kosub. "Dette giver os mulighed for at skrive lidt uden for stort energiforbrug og opvarmning." En særlig udfordring var evnen til at læse den skrevne bit op igen.

For at gøre det, fysikerne fæstede et nanometertyndt platinlag ovenpå chromoxidet. Platinet muliggør udlæsning gennem et særligt elektrisk fænomen - den anomale halleffekt. Det faktiske signal er meget lille og overlejres af interferenssignaler. "Vi kunne, imidlertid, udvikle en metode, der undertrykte interferensstormen, giver os mulighed for at opnå det nyttige signal, " Makarov beskriver. "Dette var, faktisk, gennembruddet." Resultaterne ser meget lovende ud ifølge prof. Oliver G. Schmidt fra Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden, som også deltog i undersøgelsen:"Det bliver spændende at forfølge, hvordan denne nye tilgang vil positionere sig med hensyn til etableret silicium-teknologi." Nu er forskerne ved at udvikle konceptet yderligere.

"Materialet arbejder indtil videre ved stuetemperatur, men kun inden for et smalt vindue, " siger Kosub. "Vi ønsker at udvide rækkevidden betydeligt ved selektivt at ændre chromoxidet." For at opnå dette, kollegerne fra det schweiziske nanovidenskabsinstitut og Institut for Fysik ved Universitetet i Basel har ydet et vigtigt bidrag. Deres nye undersøgelsesmetode giver billeder af chromoxidets magnetiske egenskaber for første gang med opløsning i nanoskala. Eksperterne sigter nu mod at integrere flere hukommelseselementer på en enkelt chip. Indtil nu, kun et enkelt element blev realiseret, som kun kan gemme en smule. Det næste skridt, en afgørende for mulige anvendelser, er at konstruere en række af flere elementer. "I princippet, sådanne hukommelseschips kunne fremstilles ved hjælp af standardmetoder, der anvendes af computerproducenter, " siger Makarov. "Dette er en af ​​grundene til, at industrien har vist stor interesse for sådanne komponenter."