Lille, hurtig, og meget energieffektiv hukommelsesenhed inspireret af lithium-ion-batterier

Forskere ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) og University of Tokyo (UTokyo) har udviklet en ny hukommelsesenhed med tre værdier inspireret af solide lithium-ion-batterier. Den foreslåede enhed, som har et ekstremt lavt energiforbrug, kan være nøglen til udviklingen af ​​mere energieffektive og hurtigere RAM-komponenter (random-access memory), som er allestedsnærværende i moderne computere.

Stort set alle digitale enheder, der udfører enhver form for behandling af information, kræver hurtig hukommelse, der midlertidigt kan holde input, delvise resultater, og output af de udførte operationer. I computere, denne hukommelse omtales som dynamisk tilfældig adgangshukommelse, eller DRAM. Hastigheden af ​​DRAM er vigtig og kan have en betydelig indflydelse på systemets samlede hastighed. Ud over, sænkning af energiforbruget for hukommelsesenheder er for nylig blevet et varmt emne for at opnå meget energieffektiv databehandling. Derfor, mange undersøgelser har fokuseret på at teste nye hukommelsesteknologier for at overgå ydeevnen af ​​konventionel DRAM.

De mest basale enheder i en hukommelseschip er dens hukommelsesceller. Hver celle gemmer typisk en enkelt bit ved at adoptere og holde en af ​​to mulige spændingsværdier, som svarer til en lagret værdi på enten nul eller én. Karakteristika for den enkelte celle bestemmer i høj grad ydelsen af ​​den samlede hukommelseschip. Enklere og mindre celler med høj hastighed og lavt energiforbrug ville være ideelle til at tage højeffektiv databehandling til det næste niveau.

Et forskerhold fra Tokyo Tech ledet af prof. Taro Hitosugi og studerende Yuki Watanabe nåede for nylig en ny milepæl på dette område. Disse forskere havde tidligere udviklet en ny hukommelsesenhed inspireret af designet af solide lithium-ion-batterier. Den bestod af en stak med tre faste lag lavet af lithium, lithiumphosphat og guld. Denne stak er i det væsentlige et miniature batteri med lav kapacitet, der fungerer som en hukommelsescelle; den kan hurtigt skiftes mellem ladet og afladet tilstand, der repræsenterer de to mulige værdier af en bit. Imidlertid, guld kombineres med lithium for at danne et tykt legeringslag, hvilket øger mængden af ​​energi, der kræves for at skifte fra den ene tilstand til den anden.

I deres seneste undersøgelse, forskerne oprettede en lignende trelags hukommelsescelle ved hjælp af nikkel i stedet for guld. De forventede bedre resultater ved at bruge nikkel, fordi det ikke let danner legeringer med lithium, hvilket ville føre til lavere energiforbrug ved skift. Hukommelsesenheden de producerede var meget bedre end den forrige; det kunne faktisk holde tre spændingstilstande i stedet for to, hvilket betyder, at det er en hukommelsesenhed med tre værdier. "Dette system kan ses som et ekstremt lavt kapacitets tyndfilm lithiumbatteri med tre opladede tilstande, " forklarer prof. Hitosugi. Dette er en meget interessant funktion med potentielle fordele for implementeringer af hukommelse med tre værdier, hvilket kan være mere arealeffektivt.

Forskerne fandt også ud af, at nikkel danner et meget tyndt nikkeloxidlag mellem Ni- og lithiumphosphatlagene (se fig. 1). og dette oxidlag er essentielt for lavenergi-omskiftning af enheden. Oxidlaget er meget tyndere end guld-lithium-legeringerne, der blev dannet i deres tidligere enhed, hvilket betyder, at denne nye "mini-batteri" celle har en meget lav kapacitet og derfor hurtigt og nemt skiftes mellem tilstande ved at påføre minimale strømme. "Potentialet for ekstremt lavt energiforbrug er den mest bemærkelsesværdige fordel ved denne enhed, " bemærker prof. Hitosugi.

Øget hastighed, lavere energiforbrug og mindre størrelse er alle ønskelige funktioner til fremtidige hukommelsesenheder. Hukommelsescellen udviklet af dette forskerhold er et lovende springbræt mod meget mere energieffektiv og hurtigere databehandling.