24. Juni 2023 (
Nanowerk-Neuigkeiten) Forscher haben ein neues Design für Computerspeicher entwickelt, das sowohl die Leistung erheblich verbessern als auch den Energiebedarf von Internet- und Kommunikationstechnologien senken könnte, die in den nächsten zehn Jahren voraussichtlich fast ein Drittel des weltweiten Stroms verbrauchen werden. Die Forscher unter der Leitung der Universität Cambridge haben ein Gerät entwickelt, das Daten auf ähnliche Weise verarbeitet wie die Synapsen im menschlichen Gehirn. Die Geräte basieren auf Hafniumoxid, einem Material, das bereits in der Halbleiterindustrie verwendet wird, und winzigen selbstorganisierten Barrieren, die angehoben oder abgesenkt werden können, um Elektronen durchzulassen. Diese Methode, den elektrischen Widerstand in Computerspeichergeräten zu ändern und zu ermöglichen, dass Informationsverarbeitung und Speicher am selben Ort vorhanden sind, könnte zur Entwicklung von Computerspeichergeräten mit weitaus größerer Dichte, höherer Leistung und geringerem Energieverbrauch führen. Über die Ergebnisse wird im Journal berichtet
Wissenschaft Fortschritte (
„Dünnschichtdesign aus amorphen Hafniumoxid-Nanokompositen ermöglicht eine starke Gleichmäßigkeit des Grenzflächen-Widerstandsschaltens“).
Unsere datenhungrige Welt hat zu einem explosionsartigen Anstieg des Energiebedarfs geführt, was es immer schwieriger macht, den COXNUMX-Ausstoß zu reduzieren. Es wird erwartet, dass künstliche Intelligenz, Internetnutzung, Algorithmen und andere datengesteuerte Technologien in den nächsten Jahren mehr als 30 % des weltweiten Stroms verbrauchen.
„Diese Explosion des Energiebedarfs ist zu einem großen Teil auf die Mängel der aktuellen Computerspeichertechnologien zurückzuführen“, sagte Erstautor Dr. Markus Hellenbrand vom Department of Materials Science and Metallurgy in Cambridge. „Bei der herkömmlichen Datenverarbeitung gibt es auf der einen Seite den Speicher und auf der anderen die Verarbeitung, und die Daten werden zwischen beiden hin- und hergeschoben, was sowohl Energie als auch Zeit kostet.“ Eine mögliche Lösung für das Problem des ineffizienten Computerspeichers ist eine neue Art von Technologie, die als Widerstandsschaltspeicher bekannt ist. Herkömmliche Speichergeräte können zwei Zustände annehmen: Eins oder Null. Ein funktionierender Speicher mit Widerstandsschaltung wäre jedoch in der Lage, einen kontinuierlichen Zustandsbereich zu erreichen – Computerspeicher, die auf diesem Prinzip basieren, wären in der Lage, eine weitaus höhere Dichte und Geschwindigkeit zu erreichen.
„Ein typischer USB-Stick mit kontinuierlicher Reichweite könnte beispielsweise zehn- bis hundertmal mehr Informationen speichern“, sagte Hellenbrand.
Hellenbrand und seine Kollegen entwickelten einen Prototyp eines Geräts auf Basis von Hafniumoxid, einem Isoliermaterial, das bereits in der Halbleiterindustrie verwendet wird. Das Problem bei der Verwendung dieses Materials für Anwendungen mit Widerstandsschaltspeichern ist als Gleichmäßigkeitsproblem bekannt. Auf atomarer Ebene hat Hafniumoxid keine Struktur, da die Hafnium- und Sauerstoffatome zufällig gemischt sind, was die Verwendung für Speicheranwendungen schwierig macht.
Die Forscher fanden jedoch heraus, dass sich durch die Zugabe von Barium zu dünnen Hafniumoxidfilmen einige ungewöhnliche Strukturen senkrecht zur Hafniumoxidebene im Verbundmaterial zu bilden begannen.
Diese vertikalen bariumreichen „Brücken“ sind stark strukturiert und ermöglichen den Durchgang von Elektronen, während das umgebende Hafniumoxid unstrukturiert bleibt. An der Stelle, an der diese Brücken auf die Gerätekontakte treffen, entsteht eine Energiebarriere, die Elektronen überwinden können. Die Forscher konnten die Höhe dieser Barriere steuern, was wiederum den elektrischen Widerstand des Verbundmaterials verändert.
„Dadurch können im Material mehrere Zustände existieren, im Gegensatz zum herkömmlichen Gedächtnis, das nur zwei Zustände hat“, sagte Hellenbrand.
Im Gegensatz zu anderen Verbundwerkstoffen, die teure Hochtemperatur-Herstellungsverfahren erfordern, organisieren sich diese Hafniumoxid-Verbundwerkstoffe bei niedrigen Temperaturen selbst. Das Verbundmaterial zeigte ein hohes Maß an Leistung und Gleichmäßigkeit, was es für Speicheranwendungen der nächsten Generation äußerst vielversprechend macht.
Ein Patent auf die Technologie wurde von Cambridge Enterprise, der Kommerzialisierungsabteilung der Universität, angemeldet.
„Das wirklich Spannende an diesen Materialien ist, dass sie wie eine Synapse im Gehirn funktionieren können: Sie können Informationen am selben Ort speichern und verarbeiten, wie es unser Gehirn kann, was sie für die schnell wachsenden Bereiche KI und maschinelles Lernen äußerst vielversprechend macht“, sagte er Hellenbrand.
Die Forscher arbeiten nun gemeinsam mit der Industrie an größeren Machbarkeitsstudien zu den Materialien, um besser zu verstehen, wie die Hochleistungsstrukturen entstehen.
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- Quelle: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63228.php
