Nowe informacje na temat dryftu rezystancji w półprzewodnikach amorficznych
Układy pamięciowe w tradycyjnych urządzeniach, takich jak komputery, smartfony czy napędy USB, zwykle zapisują po jednym bicie informacji cyfrowej na każdą komórkę pamięci chipowej. W tym celu bit, który może przyjmować binarną wartość 0 lub 1, jest przechowywany w kondensatorze jako napięcie. Jednak jeśli w każdej komórce dałoby się zapisać kilka bitów, chipy pamięciowe mogłyby przechowywać o wiele więcej danych. Już dwa bity na komórkę podwajają pojemność pamięci, trzy – potrajają itd. Pewna klasa substancji – nazywana materiałami zmiennofazowymi (PCM, Phase-Change Materials) – ma potencjał do magazynowania wielu bitów, jednak jej właściwości elektryczne są słabo poznane, czemu starali się zaradzić uczestnicy projektu DIASPORA. Materiały zmiennofazowe, takie jak GST (german-antymon-tellur) mogą istnieć w dwóch fazach molekularnych: uporządkowanej fazie krystalicznej oraz nieuporządkowanej fazie amorficznej. W przypadku umieszczenia pomiędzy dwoma elektrodami zmienny prąd elektryczny przepływający przez maleńką kulkę GST rozgrzewa ten materiał, w wyniku czego zmienia on fazę z jednej na drugą i odwrotnie. Cenna nagroda: pamięć wielobitowa Jednak kulka GST niekoniecznie musi w pełni przechodzić w wybraną fazę: może częściowo znajdować się w każdej z nich. Stosunek fazy amorficznej do krystalicznej w komórce pamięci można regulować, przykładając prądy nagrzewające o różnej wartości, zaś każde takie połączenie dwóch faz cechuje się właściwą dla siebie rezystancją. „Możliwość konfigurowania różnych wartości rezystancji pozwoli nam przechowywać więcej niż jeden bit informacji w pojedynczej komórce pamięci zmiennofazowej” – mówi koordynator projektu DIASPORA, Abu Sebastian z IBM Research w Zurychu, Szwajcaria. Przykładowo przy czterech wartościach rezystancji komórka może przyjmować cztery stany logiczne dopuszczalne przez pamięci dwubitowe: 00, 01, 10 i 11. Przy ośmiu wartościach rezystancji można zapisać trzy bity, przy 16 – cztery itd. Takie rozwiązanie posiada ogromny potencjał w zakresie zwiększenia pojemności pamięci. Dryft psuje całą zabawę Mimo że wielu uważa materiały PCM za przyszłościowe rozwiązanie, wiąże się z nimi poważny problem: wraz z upływem czasu rezystancja GST w fazie amorficznej ulega znacznemu dryftowi w górę, co znacząco zmniejsza niezawodność zmiennofazowej pamięci wielobitowej. „Celem zespołu DIASPORA było dokładne poznanie mechanizmów fizycznych stojących za tym dryftem rezystancji” – wyjaśnia Sebastian, „Dzięki temu w nowych urządzeniach wielobitowych uda się rozwiązać ten problem”. Aby uzyskać szczegółową wiedzę na temat dryftu, zespół – prowadzony przez Sebastiana i Martina Salinga, lidera projektu DIASPORA z niemieckiego uniwersytetu technicznego RWTH Aachen – przeprowadził szereg doświadczeń elektrycznych, spektroskopowych i optycznych z wykorzystaniem nanoskalowych urządzeń PCM w różnych temperaturach, co pozwoliło zbadać zmiany rezystancji materiałów GST. Naukowcy sprawdzili również, jak defekty w strukturze molekularnej materiału zwiększają dryft rezystancji. Zgromadzone dane eksperymentalne zostały następnie użyte do stworzenia komputerowych symulacji, dzięki którym udało się sporządzić najdokładniejszy jak dotąd ilościowy opis dryftu rezystancji w urządzeniach PCM. Pionierski model dowodzi, że główną przyczyną dryftu rezystancji jest spontaniczna „relaksacja” struktury materiału amorficznego. „Z upływem czasu faza amorficzna przechodzi w bardziej korzystny pod względem energetycznym stan idealnie szklisty” – wyjaśnia Sebastian. Co dalej z PCM? Wyniki projektu DIASPORA oraz przełomowy model komputerowy stanowią ogromny krok naprzód na drodze do opracowania niezawodnych wielobitowych pamięci PCM. „Możliwość zapisu 3 lub więcej bitów w pojedynczej komórce PCM całkowicie odmieni nasze spojrzenie na pojemność pamięci i efektywność kosztową” – przewiduje Sebastian. „Nasze rozwiązanie może być wykorzystywane do budowy nie tylko układów pamięciowych, ale również inspirowanych mózgiem systemów komputerowych, w których urządzenia PCM – jako neurony i synapsy – tworzą tzw. neuromorficzny system obliczeniowy”. Sebastian ma nadzieję wykorzystać rezultaty projektu DIASPORA w kolejnych badaniach nad nowymi architekturami urządzeń zmiennofazowych, pozwalającymi ograniczyć dryft rezystancji oraz sprawdzić, jak mały może być zamknięty fragment materiału zmiennofazowego, aby pamięć dalej była sprawna.
Słowa kluczowe
DIASPORA, materiały zmiennofazowe, pamięć nieulotna, wielopoziomowy magazyn danych
