Analizando la deriva de la resistencia en semiconductores amorfos
Los chips de memoria de los dispositivos corrientes, como ordenadores, smartphones y unidades USB suelen guardar un bit de información digital en cada una de las diminutas celdas de memoria del chip. Para hacerlo, un bit, que puede tener un valor binario 0 o 1, se almacena en forma de tensión en un condensador. Sin embargo, si se pudiesen almacenar muchos bits en cada celda, los chips de memoria podrían almacenar muchos más datos. Dos bits por celda podrían duplicar la capacidad de la memoria, tres la triplicarían, y así sucesivamente. Un tipo de sustancias llamadas materiales de cambio de fase (PCM) podría servir para implementar este tipo de almacenamiento multibit, pero sus propiedades eléctricas son poco conocidas, así que se inició el proyecto DIASPORA para tratar de comprenderlas. Los materiales de cambio de fase, como el teluro de antimonio y germanio (GST) pueden existir en dos fases moleculares: una fase con estructura cristalina ordenada y una amorfa, desordenada. Cuando se coloca como en un sándwich entre dos electrodos, al pasar distintas corrientes eléctricas a través de una diminuta gota de GST el material se calienta y cambia de forma reversible de una fase a otra. La recompensa: memorias multibit Pero la gota de GST no necesita existir totalmente en una fase o la otra: puede ser un poco de cada. La razón de material amorfo a cristalino en la celda de memoria se puede modificar aplicando corrientes calefactoras distintas, y cada mezcla de las dos fases tiene su propia resistencia característica. «La capacidad de establecer valores de resistencia distintos permitiría almacenar más de un bit de información en un solo dispositivo de material de cambio de fase», explica el coordinador del proyecto DIASPORA, Abu Sebastian en IBM Research, en Zúrich (Suiza). Por ejemplo, con cuatro valores de resistencia, la celda podría representar los cuatro estados lógicos que podría almacenar una memoria de dos bits, 00, 01, 10 y 11. Con ocho valores de resistencia podría representar tres bits y con dieciséis valores de resistencia cuatro bits. Así pues, tiene posibilidades para convertirse en un potente multiplicador de la capacidad de memoria. Las derivas aguan la fiesta Sin embargo, aunque los PCM tienen muchas posibilidades, hay un problema: la resistencia del GST en su fase amorfa deriva en aumento con el tiempo, de modo que una mejoría de cambio de fase multibit no sería fiable. «El objetivo de DIASPORA era conocer a fondo la física subyacente en esta deriva de la resistencia», explica Sebastian, para poder evitarla en futuros dispositivos multibit. Para comprender la deriva, un equipo liderado por Sebastian y Martin Salinga, el proyecto DIASPORA, dirigido por RWTH Aachen (Alemania), realizó experimentos eléctricos, espectroscópicos y ópticos sobre dispositivos de PCM nanoestructurados con temperaturas variables, con el fin de investigar cómo cambia la resistencia del GST. También estudiaron cómo los defectos de la estructura molecular del material exacerban significativamente la deriva de la resistencia. A continuación, utilizaron sus datos experimentales para crear simulaciones por ordenador que han dado lugar a la síntesis de la descripción más precisa cuantitativamente de la deriva de la resistencia en dispositivos de PCM hasta la fecha. Su modelo pionero demuestra que la causa fundamental de la deriva de la resistencia es la relajación estructural espontánea del material amorfo. «Con el tiempo, el estado amorfo evoluciona hacia un estado vítreo ideal más favorable energéticamente», explica Sebastian. ¿Cuál es el paso siguiente de los PCM? Los resultados de DIASPORA y su modelo informático revolucionario son un paso importante para ayudar a los investigadores a crear memorias PCM multibit fiables. «La capacidad de almacenar tres o más bits en un solo dispositivo PCM representará un cambio radical en términos de capacidad de almacenamiento y rentabilidad», predice Sebastian. «También podría permitir aplicaciones que van mucho más allá de la memoria, como la computación inspirada en el cerebro, en la que los dispositivos PCM se pueden utilizar como elementos neuronales y sinápticos de lo que se conoce como un sistema informático neuromórfico». En futuras investigaciones, Sebastian espera continuar el desarrollo de DIASPORA para estudiar el diseño de nuevas arquitecturas de dispositivos de cambio de fase que mitiguen la deriva de la resistencia, además de funcionar con la pieza de material de cambio de fase confinado más pequeña posible y capaz de funcionar como dispositivo de memoria.
Palabras clave
DIASPORA, materiales de cambio de fase, memoria no volátil, almacenamiento multinivel
