Los chips de memoria en los teléfonos las computadoras portátiles y otros dispositivos electrónicos deben ser pequeños, rápido y consume la menor cantidad de energía posible. Durante años, los chips de silicio han cumplido esa promesa.

Pero para extender drásticamente la duración de la batería de los dispositivos móviles, y crear centros de datos que utilicen mucha menos energía, Los ingenieros están desarrollando chips de memoria basados ​​en nuevos nanomateriales con capacidades que el silicio no puede igualar.

En tres experimentos recientes, Los ingenieros de Stanford demuestran materiales y tecnologías post-silicio que almacenan más datos por pulgada cuadrada y utilizan una fracción de la energía de los chips de memoria actuales.

El hilo unificador en los tres experimentos es el grafeno, un material extraordinario aislado hace una década pero que tenía, hasta ahora, relativamente pocas aplicaciones prácticas en electrónica.

Un pariente purificado de la mina de lápiz, el grafeno se forma cuando los átomos de carbono se unen en láminas de solo un átomo de espesor. El grafeno delgado como un átomo es más fuerte que el acero, tan conductivo como el cobre y tiene propiedades térmicas útiles en la electrónica a nanoescala.

"El grafeno es la estrella de esta investigación, "dijo Eric Pop, profesor asociado de ingeniería eléctrica y colaborador de dos de los tres proyectos de memoria. "Con estas nuevas tecnologías de almacenamiento, sería concebible diseñar un teléfono inteligente que pudiera almacenar 10 veces más datos, usando menos energía de la batería, que la memoria que usamos hoy ".

Profesor H.-S. Philip Wong y Pop dirigieron un grupo internacional de colaboradores que describen tres tecnologías de memoria centradas en el grafeno en artículos separados en Nature Communications, Nano Letras y Letras de Física Aplicada.

Si bien los consumidores pueden apreciar la aplicación móvil de estas nuevas tecnologías, Los ingenieros piensan que los chips de memoria post-silicio también pueden transformar las granjas de servidores que deben almacenar y brindar un acceso rápido a las grandes cantidades de datos almacenados en la nube.

"El almacenamiento de datos se ha convertido en un importante consumidor de electricidad a gran escala, y las nuevas tecnologías de memoria de estado sólido como estas también podrían transformar la computación en la nube, "Dijo Wong.

Cambio de imagen de la memoria

Los chips de memoria almacenan datos como una cadena de unos y ceros. Hoy en día, la mayoría de los chips de memoria se basan en silicio, y vienen en dos tipos básicos:volátiles y no volátiles. Memoria volatil, como la memoria de acceso aleatorio (RAM), ofrece almacenamiento rápido pero temporal. Cuando la energía se apaga, los ceros y unos desaparecen.

Memoria no volátil, como la memoria flash de los teléfonos móviles, es lento pero estable. Incluso si la batería se agota, los datos permanecen.

Los ingenieros dirigidos por Stanford muestran cómo crear memoria con la velocidad de la RAM y la persistencia del flash mediante el uso de nuevos materiales y tecnologías que requieren menos energía que el silicio para almacenar los ceros y unos.

En Nature Communications, Wong trabajó con el becario postdoctoral Seunghyun Lee y el candidato de doctorado Joon Sohn en una técnica conocida como memoria resistiva de acceso aleatorio. o RRAM para abreviar.

En chips RRAM, Pequeñas sacudidas de electricidad cambian ciertos óxidos metálicos entre estados resistivos y conductores. Cuando los óxidos metálicos resisten el flujo de electrones, eso crea un cero. Cuando los materiales conducen electrones, eso es uno. RRAM es rápido, como memoria de silicio volátil, pero al igual que la memoria flash, retiene los datos almacenados cuando se apaga.

Este trabajo demuestra la posibilidad de construir RRAM no volátiles mientras se almacenan datos densamente sin consumir más energía.

Nuevas fases de la memoria

En otros dos papeles, publicado en Letras de física aplicada y Nano letras , Pop y Wong dirigieron equipos de investigación que utilizaron grafeno para realizar avances con un enfoque de almacenamiento diferente pero conceptualmente similar llamado memoria de cambio de fase.

En la memoria de cambio de fase, una pequeña sacudida de electricidad provoca una aleación de germanio, antimonio y telurio para cambiar su estructura atómica. Una sacudida modifica los átomos en forma regular, estructura cristalina que permite que los electrones fluyan, anotado como digital. Una segunda sacudida hace que la estructura sea irregular, o amorfo, creando un cero. Cada sacudida alterna rápidamente el material de cambio de fase de uno a cero. Como RRAM, retiene sus datos almacenados cuando se apaga la alimentación.

En el artículo de Applied Physics Letters, Pop dirigió un equipo que incluía a exalumnos de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign y colaboradores de las Universidades de Módena y Bolonia en Italia. Utilizaron cintas de grafeno como electrodos ultrafinos para intersectar las células de memoria de cambio de fase. como brochetas que ensartan malvaviscos. Esta configuración también aprovechó el borde atómicamente delgado del grafeno para empujar la corriente hacia el material, y cambia su fase, de nuevo de una manera extremadamente eficiente desde el punto de vista energético.

En el artículo de Nano Letters, Pop y Wong utilizaron las propiedades eléctricas y térmicas del grafeno en un chip de memoria de cambio de fase. Sin embargo, en un giro, aquí utilizaron la superficie de la hoja de grafeno para entrar en contacto con la aleación de memoria de cambio de fase. En esencia, el grafeno evitó que el calor se escapase del material de cambio de fase, creando una celda de memoria con mayor eficiencia energética.

Estos estudios muestran que el grafeno está lejos de ser una curiosidad de laboratorio, Pop y Wong dicen. El material es eléctrico único, Las propiedades térmicas y atómicamente delgadas se pueden utilizar para crear un almacenamiento de datos con mayor eficiencia energética. Tales propiedades no existen en el mundo del silicio, sin embargo, podría transformar la forma en que almacenamos y accedemos a nuestros datos digitales en el futuro.