Las memorias de cambio de fase de Stanford son ultrarrápidas y energéticamente eficientes

Los científicos han pasado décadas buscando tecnologías de memoria más rápidas y energéticamente eficientes para todo, desde grandes centros de datos hasta sensores móviles y otros dispositivos electrónicos flexibles. 

Entre las tecnologías de almacenamiento de datos más prometedoras se encuentra la memoria de cambio de fase, que es miles de veces más rápida que los discos duros convencionales, pero no es la más eficiente desde el punto de vista energético entre los tipos de memoria emergentes.

Ahora, los ingenieros de la Universidad de Stanford han superado un obstáculo clave que ha limitado la adopción generalizada de la memoria de cambio de fase. 

Los resultados se publican en un estudio en la revista Science .

Un sustrato de memoria de cambio de fase flexible sostenido por pinzas (izquierda) con una secuencia diagonal que muestra los sustratos en el proceso de doblarse. 
Crédito: Crystal Nattoo

La gente ha esperado durante mucho tiempo que la memoria de cambio de fase reemplace gran parte de la memoria en nuestros teléfonos y computadoras portátiles. Una de las razones por las que no se ha adoptado es que requiere más potencia para funcionar que las tecnologías de memoria de la competencia. En nuestro estudio, hemos demostrado que la memoria de cambio de fase puede ser rápida y energéticamente eficiente.

Eric Pop, profesor de ingeniería eléctrica y autor principal del estudio.

Resistencia eléctrica

A diferencia de los chips de memoria convencionales construidos con transistores y otro hardware, un dispositivo de memoria de cambio de fase típico consta de un compuesto de tres elementos químicos: germanio, antimonio y telurio (GST), intercalados entre dos electrodos metálicos.

Los dispositivos convencionales, como las unidades flash, almacenan datos activando y desactivando el flujo de electrones, un proceso simbolizado por unos y ceros. 

En la memoria de cambio de fase, los 1 y 0 representan medidas de resistencia eléctrica en el material GST: cuánto resiste el flujo de electricidad.

Un dispositivo de memoria de cambio de fase típico puede almacenar dos estados de resistencia: un estado de alta resistencia 0 y un estado de baja resistencia 1, explica el candidato a doctorado Asir Intisar Khan, coautor principal del estudio. 
Se puede cambiar de 1 a 0 y viceversa en nanosegundos utilizando el calor de los pulsos eléctricos generados por los electrodos.

El calentamiento a aproximadamente 300 grados Fahrenheit (150 grados Celsius ) convierte el compuesto GST en un estado cristalino con baja resistencia eléctrica. A aproximadamente 1.100 F (600 C), los átomos cristalinos se desordenan, convirtiendo una parte del compuesto en un estado amorfo con una resistencia mucho mayor. La gran diferencia de resistencia entre los estados amorfo y cristalino se utiliza para programar la memoria y almacenar datos.

“Este gran cambio de resistencia es reversible y puede inducirse encendiendo y apagando los pulsos eléctricos”, dijo Khan.

“Puede volver años más tarde y leer la memoria simplemente leyendo la resistencia de cada bit”, dijo Pop. “Además, una vez que la memoria está configurada, no usa energía, similar a una unidad flash”.

Los componentes

Pero cambiar entre estados generalmente requiere mucha energía, lo que podría reducir la vida útil de la batería en la electrónica móvil.

Para abordar este desafío, el equipo de Stanford se propuso diseñar una celda de memoria de cambio de fase que funcione con baja potencia y se pueda incrustar en sustratos de plástico flexible que se usan comúnmente en teléfonos inteligentes flexibles, sensores corporales portátiles y otros dispositivos electrónicos móviles que funcionan con baterías.

Estos dispositivos requieren un bajo costo y un bajo consumo de energía para que el sistema funcione de manera eficiente.

Pero muchos sustratos flexibles pierden su forma o incluso se derriten a alrededor de 200 C (390 F) y más.

En el estudio descubrieron que un sustrato de plástico con baja conductividad térmica puede ayudar a reducir el flujo de corriente en la celda de memoria, lo que le permite operar de manera eficiente.

Nuestro nuevo dispositivo redujo la densidad de corriente de programación en un factor de 10 en un sustrato flexible y en un factor de 100 en silicio rígido. Tres ingredientes entraron en nuestra mezcla secreta: una superrejilla que consta de capas nanométricas del material de memoria, una celda porosa, un agujero nanométrico en el que metimos las capas superredes, y un sustrato flexible termoaislante. Juntos, mejoraron significativamente la eficiencia energética .

Eric Pop

Computación flexible y ultrarrápida

La capacidad de instalar memoria rápida y energéticamente eficiente en dispositivos móviles y flexibles podría permitir una amplia gama de nuevas tecnologías, como sensores en tiempo real para hogares inteligentes y monitores biomédicos. 

Los sensores tienen grandes limitaciones en la vida útil de la batería y la recopilación de datos sin procesar para enviar a la nube es muy ineficiente. Si se puede procesar los datos localmente, lo que requiere memoria, sería muy útil para implementar el Internet de las cosas.

La memoria de cambio de fase también podría marcar el comienzo de una nueva generación de computación ultrarrápida.

Las computadoras de hoy tienen chips separados para la computación y la memoria. Calculan datos en un lugar y los almacenan en otro. 

Los datos tienen que viajar de un lado a otro, lo que es muy ineficiente desde el punto de vista energético “.

La memoria de cambio de fase podría permitir la computación en memoria, que cierra la brecha entre la computación y la memoria. 

La computación en memoria requeriría un dispositivo de cambio de fase con múltiples estados de resistencia, cada uno capaz de almacenar memoria.

La memoria de cambio de fase típica tiene dos estados resistentes, alto y bajo.

Programar cuatro estados de resistencia estables, no solo dos, un primer paso importante hacia la computación flexible en memoria.

La memoria de cambio de fase también podría usarse en grandes centros de datos, donde el almacenamiento de datos representa aproximadamente el 15 por ciento del consumo de electricidad.

El gran atractivo de la memoria de cambio de fase es la velocidad, pero la eficiencia energética en la electrónica también es importante. No es solo una ocurrencia tardía. Todo lo que podamos hacer para fabricar dispositivos electrónicos de menor potencia y prolongar la vida útil de la batería tendrá un impacto tremendo.

Eric Pop

Referencia:  “Ultralow–switching current density multilevel phase-change memory on a flexible substrate” by Asir Intisar Khan, Alwin Daus, Raisul Islam, Kathryn M. Neilson, Hye Ryoung Lee, H.-S. Philip Wong and Eric Pop, 10 September 2021, Science.
DOI: 10.1126/science.abj1261

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