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.
