Doorbraak in next-gen geheugen: 10 miljard lees-schrijfcycli
Een team van onderzoekers in China zegt een van de grootste obstakels tussen ferro-elektrisch geheugen en massaproductie te hebben overwonnen: het materiaal slijt te snel. Hun oplossing, deze week beschreven, tilt een prototype-apparaat voorbij 10 miljard lees-schrijfcycli — ongeveer honderd keer de levensduur van eerdere versies.
Ferro-elektrisch geheugen slaat gegevens op in de richting van elektrische polarisatie op atomaire schaal in een materiaal. Zie het als het schrijven van informatie met kleine pijltjes die heen en weer kunnen worden geklapt. Omdat de gegevens behouden blijven, zelfs wanneer de stroom wordt uitgeschakeld, is de technologie een kandidaat voor next-generation non-volatile geheugen — het soort dat bestanden intact houdt zonder een batterij leeg te zuigen, in tegenstelling tot het DRAM dat in de meeste computers van vandaag wordt gebruikt.
De belangrijkste materiaalfamilie, aluminium-scandiumnitride, behoort tot een kristalklasse die wurtziet wordt genoemd. Het heeft twee verkoopargumenten: de interne structuur is zeer geordend en het werkt goed samen met de apparatuur die al wordt gebruikt om computerchips te maken. Die compatibiliteit is enorm belangrijk. Een geheugentechnologie die een volledig nieuwe fabriek vereist, is moeilijk te verkopen; een die in bestaande productielijnen past, is veel aantrekkelijker voor fabrikanten.
Maar er was een addertje onder het gras. Bij volledige polarisatieschakeling, het herhaaldelijke omklappen dat het schrijven en wissen van gegevens vereist, faalden apparaten doorgaans na ongeveer 100 miljoen cycli — ver onder wat commerciële opslag nodig heeft. Het nieuwe werk, een samenwerking tussen de Xidian University, City University of Hong Kong en Fudan University, herleidde de storing tot stikstofvacatures: ontbrekende atomen die na verloop van tijd het ordelijke rooster van het materiaal verstoren. De voorgestelde remedie van het team gebruikt een topologisch stabilisatieschema rond deze vacatures, waardoor een bron van verval een structureel anker wordt.
Het resultaat is een geclaimde duurzaamheid van meer dan 10 miljard cycli. In praktische termen is dat het verschil tussen een laboratoriumcuriositeit en een component die jaren van dagelijks gebruik in een telefoon, laptop of datacenter kan overleven. De onderzoekers zeggen dat de aanpak het materiaal compatibel houdt met standaard chipfabricage, wat het pad van papier naar product zou kunnen verkorten.
Het werk komt op een moment van intense wereldwijde belangstelling voor geheugen. Kunstmatige-intelligentiemodellen zijn verzot op snelle opslag en datacenters hebben moeite om bij te blijven. Non-volatile geheugen dat zowel snel als zuinig is, zou die druk kunnen verlichten, waardoor apparaten meer gegevens bij de hand kunnen houden zonder voortdurend stroom te trekken. Het zou ook edge-apparaten kunnen helpen — sensoren, wearables en kleine robots — die dingen moeten onthouden terwijl ze op kleine batterijen werken.
Er blijven nog veel vragen. Duurzaamheidscijfers uit het laboratorium vertalen zich niet altijd naar productieopbrengsten, en het opschalen van een nieuw materiaal naar miljarden identieke cellen is een uitdaging op zich. Maar de richting is duidelijk. Jarenlang werd ferro-elektrisch geheugen beschreven als veelbelovend maar altijd vijf jaar weg. Door zich te richten op het specifieke defect dat vroege storingen veroorzaakte, biedt dit onderzoek een concrete reden om te geloven dat die tijdlijn eindelijk korter kan worden.
De bevindingen dragen bij aan China’s groeiende voetafdruk in onderzoek naar geavanceerde materialen en halfgeleiders, een gebied waar universiteiten en nationale laboratoria zwaar in hebben geïnvesteerd. Als het duurzaamheidsprobleem echt is opgelost, kan de winst niet in cycli worden gemeten, maar in de apparaten die niet langer hoeven te vergeten.