Batteri og hukommelsesenhed i ét:Fremtidige nanoelektroniske informationslagringsenheder er også små batterier

(Phys.org) — Resistive hukommelsesceller (ReRAM) betragtes som en lovende løsning for fremtidige generationer af computerhukommelser. De vil dramatisk reducere energiforbruget i moderne it-systemer og samtidig øge deres ydeevne betydeligt. I modsætning til byggestenene i konventionelle harddiske og hukommelser, disse nye hukommelsesceller er ikke rene passive komponenter, men skal betragtes som små batterier. Dette er blevet demonstreret af forskere fra Jülich Aachen Research Alliance (JARA), hvis resultater nu er blevet offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift Naturkommunikation . Det nye fund reviderer radikalt den nuværende teori og åbner muligheder for yderligere anvendelser. Forskergruppen har allerede indgivet en patentansøgning for deres første idé til, hvordan man kan forbedre dataudlæsning ved hjælp af batterispænding.

Konventionel datahukommelse arbejder på basis af elektroner, der flyttes rundt og lagres. Imidlertid, selv efter atomare standarder, elektroner er ekstremt små. Det er meget svært at kontrollere dem, for eksempel ved hjælp af relativt tykke isolatorvægge, så information ikke går tabt over tid. Dette begrænser ikke kun lagertætheden, det koster også rigtig meget energi. Af denne grund, forskere arbejder febrilsk over hele verden på nanoelektroniske komponenter, der gør brug af ioner, dvs ladede atomer, til lagring af data. Ioner er nogle tusinde gange tungere end elektroner og er derfor meget nemmere at 'holde nede'. På denne måde de enkelte lagerelementer kan næsten reduceres til atomare dimensioner, hvilket forbedrer opbevaringstætheden enormt.

I resistive switching memory celler (ReRAMs), ioner opfører sig på nanometerskalaen på samme måde som et batteri. Cellerne har to elektroder, for eksempel lavet af sølv og platin, hvorved ionerne opløses og derefter udfældes igen. Dette ændrer den elektriske modstand, som kan udnyttes til datalagring. Desuden, reduktions- og oxidationsprocesserne har også en anden effekt. De genererer elektrisk spænding. ReRAM-celler er derfor ikke rene passive systemer – de er også aktive elektrokemiske komponenter. Følgelig, de kan betragtes som bittesmå batterier, hvis egenskaber er nøglen til den korrekte modellering og udvikling af fremtidig datalagring.

I komplekse eksperimenter, forskerne fra Forschungszentrum Jülich og RWTH Aachen University bestemte batterispændingen for typiske repræsentanter for ReRAM-celler og sammenlignede dem med teoretiske værdier. Denne sammenligning afslørede andre egenskaber (såsom ionresistens), som tidligere hverken var kendte eller tilgængelige. "Ser tilbage, tilstedeværelsen af ​​en batterispænding i ReRAMs er indlysende. Men i løbet af den ni måneder lange gennemgang af det papir, der nu er udgivet, var vi nødt til at overtale meget, da batterispændingen i ReRAM-celler kan have tre forskellige grundlæggende årsager, og tildelingen af ​​den rigtige årsag er alt andet end triviel, " siger Dr. Ilia Valov, elektrokemikeren i prof. Rainer Wasers forskningsgruppe.

Det nye fund er af central betydning, i særdeleshed, til den teoretiske beskrivelse af hukommelseskomponenterne. Til dato, ReRAM-celler er blevet beskrevet ved hjælp af begrebet memristorer – et portmanteau-ord sammensat af "hukommelse" og "modstand". Det teoretiske begreb memristorer kan spores tilbage til Leon Chua i 1970'erne. Det blev første gang anvendt på ReRAM-celler af it-virksomheden Hewlett-Packard i 2008. Det sigter mod permanent lagring af information ved at ændre den elektriske modstand. Memristor-teorien fører til en vigtig begrænsning. Det er begrænset til passive komponenter. "Den demonstrerede interne batterispænding af ReRAM-elementer bryder klart den matematiske konstruktion af memristor-teorien. Denne teori skal udvides til en helt ny teori - for korrekt at beskrive ReRAM-elementerne, " siger Dr. Eike Linn, specialisten for kredsløbskoncepter i forfattergruppen. Dette sætter også udviklingen af ​​alle mikro- og nanoelektroniske chips på et helt nyt grundlag.

"De nye resultater vil hjælpe med at løse et centralt puslespil inden for international ReRAM-forskning, " siger prof. Rainer Waser, vicetalsmand for forskningssamarbejdscentret SFB 917 'Nanoswitches' etableret i 2011. I de senere år har bl.a. disse forvirrende aspekter omfatter uforklarlige langsigtede driftfænomener eller systematiske parameterafvigelser, som var blevet tilskrevet fabrikationsmetoder. "I lyset af denne nye viden, det er muligt specifikt at optimere designet af ReRAM-cellerne, og det kan være muligt at opdage nye måder at udnytte cellernes batterispænding til helt nye applikationer, som tidligere var uden for rækkevidde af tekniske muligheder, " tilføjer Waser, hvis gruppe i årevis har samarbejdet med virksomheder som Intel og Samsung Electronics inden for ReRAM-elementer.