Et nyt lys på betydeligt hurtigere computerhukommelsesenheder

Et team af forskere fra Arizona State University's School of Molecular Sciences og Tyskland har offentliggjort i Videnskab fremskridt online i dag en forklaring på, hvordan et bestemt faseændringshukommelsesmateriale (PCM) kan fungere tusind gange hurtigere end den nuværende flashcomputers hukommelse, samtidig med at det er væsentligt mere holdbart i forhold til antallet af daglige læse-skrivninger.

PCM'er er en form for computer random-access memory (RAM), der lagrer data ved at ændre tilstanden for "bits", (hvoraf millioner udgør enheden) mellem væske, glas- og krystaltilstande. PCM -teknologi har potentiale til at levere billige, høj hastighed, stor tæthed, høj volumen, ikke -flygtig opbevaring i en hidtil uset skala.

Grundidéen og materialet blev opfundet af Stanford Ovshinsky, lang tid siden, i 1975, men ansøgninger har dvælet på grund af manglende klarhed om, hvordan materialet kan udføre faseændringerne på så korte tidsskalaer og tekniske problemer relateret til at kontrollere ændringerne med den nødvendige præcision. Nu er højteknologiske virksomheder som Samsung, IBM og Intel kører efter at perfektionere det.

Det halvmetalliske materiale under den nuværende undersøgelse er en legering af germanium, antimon og tellur i forholdet 1:2:4. I dette arbejde undersøger teamet den mikroskopiske dynamik i væsketilstanden i dette PCM ved hjælp af kvasi-elastisk neutronspredning (QENS) for spor om, hvad der kan gøre faseændringerne så skarpe og reproducerbare.

På kommando, strukturen af ​​hver mikroskopisk bit af dette PCM-materiale kan bringes til at ændre sig fra glas til krystal eller fra krystal tilbage til glas (gennem det flydende mellemprodukt) på tidsskalaen en tusindedel af en milliontedel af et sekund blot ved en kontrolleret varme eller lyspuls, førstnævnte foretrækkes nu. I den amorfe eller uordnede fase, materialet har høj elektrisk modstand, "slukket" tilstand; i den krystallinske eller ordnede fase, dens modstand reduceres 1000 gange eller mere for at give "on"-tilstanden.

Disse elementer er arrangeret i to dimensionelle lag mellem aktiverende elektroder, som kan stables for at give et tredimensionelt array med særlig høj aktiv site-densitet, hvilket gør det muligt for PCM-enheden at fungere mange gange hurtigere end konventionel flash-hukommelse, mens du bruger mindre strøm.

"De amorfe faser af denne slags materiale kan betragtes som "semi-metalliske glas", "forklarer Shuai Wei, som på det tidspunkt lavede postdoktoral forskning i SMS Regents 'professor Austen Angells laboratorium, som modtager af Humboldt Foundation Fellowship.

"I modsætning til strategien inden for forskningsfeltet "metalliske briller", hvor folk i årtier har bestræbt sig på at bremse krystallisationen for at få glaset i bulk, her ønsker vi, at de halvmetalliske glas krystalliserer så hurtigt som muligt i væsken, men for at forblive så stabil som muligt, når den er i glastilstand. Jeg tror, ​​at vi nu har en lovende ny forståelse for, hvordan dette opnås i de undersøgte PCM'er. "

En afvigelse fra det forventede

For over et århundrede siden, Einstein skrev i sin ph.d. tese om, at diffusion af partikler, der undergår Brownsk bevægelse, kunne forstås, hvis friktionskraften, der forsinkede bevægelsen af ​​en partikel, var den, der blev udledt af Stokes for en rund kugle, der faldt gennem en krukke honning. Den simple ligning:D (diffusivitet) =kBT/6??r hvor T er temperaturen, ? er viskositeten og r er partikelradius, indebærer, at produktet D?/T skal være konstant, når T ændres, og det overraskende er, at dette synes at være sandt, ikke kun for brownisk bevægelse, men også for simple molekylære væsker, hvis molekylære bevægelse vides at være alt andet end en kugle, der falder gennem honning!

"Vi har ingen god forklaring på, hvorfor det fungerer så godt, selv i molekylære væskers meget viskøse, superkølede tilstand, indtil glasovergangstemperaturen nærmer sig, men vi ved, at der er et par interessante væsker, hvori det fejler slemt selv over smeltepunktet, " bemærker Angell.

"En af dem er flydende tellur, et nøgleelement i PCM-materialerne. En anden er vand, der er berømt for sine anomalier, og en tredje er germanium, et andet af de tre elementer i GST -typen af ​​PCM. Nu tilføjer vi en fjerde, selve GST -væsken .. !!! takket være neutronspredningsundersøgelserne foreslået og udført af Shuai Wei og hans tyske kolleger, Zach Evenson (Teknisk Universitet i München, Tyskland) og Moritz Stolpe (Saarland University, Tyskland) på prøver udarbejdet af Shuai ved hjælp af Pierre Lucas (University of Arizona). "

Et andet træk til fælles for denne lille gruppe af væsker er eksistensen af ​​et maksimum i væskedensitet, som er berømt for tilfældet med vand. En maksimal densitet fulgt nøje, under afkøling, ved en metal-til halvleder-overgang ses også i den stabile flydende tilstand af arsen-tellurid, (As2Te3), som er fætter til antimon tellurid (Sb2Te3) -komponenten i PCM'erne, som alle ligger på "Ovshinsky" -linjen, der forbinder antimon tellurid (Sb2Te3) til germanium telluride (GeTe) i trekomponents fasediagrammet. Kan det være, at den underliggende fysik i disse væsker har et fælles grundlag?

Det er forslag fra Wei og medforfattere, at når germanium, antimon og tellur blandes sammen i forholdet 1:2:4, (eller andre langs Ovshinskys "magiske" linje) skubbes både densitet maxima og de tilhørende metal til ikke-metal overgange under smeltepunktet og, samtidig, overgangen bliver meget skarpere end i andre chalcogenidblandinger.

Derefter, som i det meget undersøgte tilfælde af underkølet vand, de udsving, der er forbundet med responsfunktionens ekstrema, bør give anledning til ekstremt hurtig krystalliseringskinetik. I alle tilfælde, tilstanden ved høj temperatur (nu metallisk tilstand), er den tættere.

"Dette ville forklare meget, "begejstrer Angell" Over overgangen er væsken meget flydende, og krystallisationen er ekstremt hurtig, mens væsken under overgangen hurtigt stivner og bevarer det amorfe, tilstand med lav ledningsevne ned til stuetemperatur. I nanoskopiske "bits", den forbliver derefter ubestemt stabil, indtil den af ​​en computerprogrammeret varmepuls instrueres i at stige øjeblikkeligt til en temperatur, hvor, på en nano-sekund tidsskala, det flash krystalliserer til den ledende tilstand, tilstanden "tændt".

Lindsay Greer ved Cambridge University har fremført det samme argument i form af en "skrøbelig-til-stærk" flydende overgang ".

En anden lidt større varmepuls kan tage "bit" øjeblikkeligt over dets smeltepunkt og derefter, uden yderligere varmeindgang og tæt kontakt med et koldt underlag, den slukker med en hastighed, der er tilstrækkelig til at undgå krystallisering og er fanget i halvledende tilstand, "slukket" tilstand.

"Den høje opløsning af neutrontiden for flyvespektrometer fra det tekniske universitet i München var nødvendig for at se detaljerne i atombevægelserne. Neutronspredning ved Heinz Maier-Leibnitz Zentrum i Garching er den ideelle metode til at synliggøre disse bevægelser, "fastslår Zach Evenson.