Grafen nøgle til tæt, energieffektive hukommelseschips, siger ingeniører

Hukommelseschips i telefoner, bærbare computere og andre elektroniske enheder skal være små, hurtig og trække så lidt strøm som muligt. Årevis, siliciumchips har indfriet det løfte.

Men for dramatisk at forlænge batterilevetiden for mobile gadgets, og at skabe datacentre, der bruger langt mindre energi, ingeniører udvikler hukommelseschips baseret på nye nanomaterialer med egenskaber, som silicium ikke kan matche.

I tre nylige eksperimenter, Stanfords ingeniører demonstrerer post-silicium materialer og teknologier, der lagrer flere data pr. kvadrattomme og bruger en brøkdel af energien fra nutidens hukommelseschips.

Den samlende tråd i alle tre eksperimenter er grafen, et ekstraordinært materiale isoleret for ti år siden, men som havde, indtil nu, relativt få praktiske anvendelser inden for elektronik.

En renset slægtning til blyantbly, grafen dannes, når kulstofatomer bindes sammen til ark, der kun er et atom tykt. Atomtynd grafen er stærkere end stål, lige så ledende som kobber og har termiske egenskaber, der er nyttige i elektronik på nanoskala.

"Graphene er stjernen i denne forskning, " sagde Eric Pop, lektor i elektroteknik og bidragyder til to af de tre hukommelsesprojekter. "Med disse nye lagringsteknologier, det kunne tænkes at designe en smartphone, der kunne lagre 10 gange så meget data, bruger mindre batteristrøm, end den hukommelse, vi bruger i dag."

Professor H.-S. Philip Wong og Pop ledede en international gruppe af samarbejdspartnere, der beskriver tre grafencentrerede hukommelsesteknologier i separate artikler i Nature Communications, Nano bogstaver og anvendt fysik bogstaver.

Mens forbrugerne måske værdsætter den mobile anvendelse af disse nye teknologier, ingeniører mener, at post-silicium-hukommelseschips også kan transformere serverfarme, der skal lagre og levere hurtig adgang til de enorme mængder data, der er lagret i skyen.

"Datalagring er blevet en betydelig, storforbruger af elektricitet, og nye solid-state hukommelsesteknologier som disse kunne også transformere cloud computing, " sagde Wong.

Hukommelse makeover

Hukommelseschips gemmer data som en streng af enere og nuller. I dag er de fleste hukommelseschips baseret på silicium, og kommer i to grundlæggende typer - flygtige og ikke-flygtige. Flygtig hukommelse, såsom random access memory (RAM), tilbyder hurtig, men midlertidig opbevaring. Når strømmen slukker, nuller og etaller forsvinder.

Ikke-flygtig hukommelse, såsom flashhukommelsen i mobiltelefoner, er langsom, men stabil. Selvom batteriet udløber, forbliver dataene.

De Stanford-ledede ingeniører viser, hvordan man kan skabe hukommelse med RAM-hastigheden og flashens vedholdenhed ved at bruge nye materialer og teknologier, der kræver mindre energi end silicium til at gemme nuller og enere.

I Nature Communications, Wong arbejdede sammen med postdoc-stipendiat Seunghyun Lee og ph.d.-kandidat Joon Sohn på en teknik kendt som resistive random-access memory, eller RRAM for kort.

I RRAM-chips, små stød af elektricitet skifter visse metaloxider mellem resistive og ledende tilstande. Når metaloxiderne modstår strømmen af ​​elektroner, der skaber et nul. Når materialerne leder elektroner, det er en en. RRAM er hurtig, som flygtig siliciumhukommelse, men ligesom flashhukommelse bevarer den lagrede data, når strømmen er slukket.

Dette arbejde demonstrerer muligheden for at konstruere ikke-flygtig RRAM, mens data lagres tæt uden at forbruge mere energi.

Nye faser af hukommelsen

I to andre aviser, udgivet i Anvendt fysik bogstaver og Nano bogstaver , Pop og Wong ledede forskerhold, der brugte grafen til at gøre fremskridt med en anden, men konceptuelt lignende lagringstilgang kaldet faseskiftehukommelse.

I faseændringshukommelse, et lille stød af elektricitet forårsager en legering af germanium, antimon og tellur for at ændre dets atomare struktur. Et stød tweaker atomerne til en regulær, krystallinsk struktur, der tillader elektroner at flyde, angivet som en digital. Et andet stød gør strukturen uregelmæssig, eller amorf, skabe et nul. Hvert stød skifter hurtigt faseskiftematerialet fra én til nul. Ligesom RRAM, den beholder sine lagrede data, når strømmen slukkes.

I papiret Applied Physics Letters, Pop ledede et team, der omfattede tidligere studerende ved University of Illinois Urbana-Champaign og samarbejdspartnere ved universiteterne i Modena og Bologna i Italien. De brugte bånd af grafen som ultratynde elektroder til at skære faseskiftehukommelsesceller, som spyd, der spreder skumfiduser. Denne opsætning udnyttede også den atomare tynde kant af grafen til at skubbe strøm ind i materialet, og ændre sin fase, igen på en yderst energieffektiv måde.

I Nano Letters -papiret Pop og Wong brugte både de elektriske og termiske egenskaber af grafen i en faseskiftehukommelseschip. Imidlertid, i et twist, her brugte de overfladen af ​​grafenpladen til at kontakte faseændringshukommelseslegeringen. I det væsentlige, grafen forhindrede varmen i at lække ud af faseændringsmaterialet, skabe en mere energieffektiv hukommelsescelle.

Disse undersøgelser viser, at grafen er langt fra en laboratoriekuriositet, siger Pop og Wong. Materialets unikke elektriske, termiske og atomisk tynde egenskaber kan udnyttes til at skabe mere energieffektiv datalagring. Sådanne egenskaber findes ikke i siliciumverdenen, alligevel kunne potentielt ændre den måde, vi opbevarer og får adgang til vores digitale data på i fremtiden.