Forskare vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) och University of Tokyo (UTokyo) har utvecklat en ny minnesenhet med tre värden inspirerad av solida litiumjonbatterier. Den föreslagna enheten, som har en extremt låg energiförbrukning, kan vara nyckeln till utvecklingen av mer energieffektiva och snabbare RAM-komponenter, som finns överallt i moderna datorer.

Praktiskt taget alla digitala enheter som utför någon form av bearbetning av information kräver snabbt minne som tillfälligt kan hålla ingångarna, delresultat, och utdata från de utförda operationerna. I datorer, detta minne kallas dynamiskt slumpmässigt åtkomstminne, eller DRAM. Hastigheten på DRAM är viktig och kan ha en betydande inverkan på systemets totala hastighet. Dessutom, Att minska energiförbrukningen för minnesenheter har nyligen blivit ett hett ämne för att uppnå mycket energieffektiv datoranvändning. Därför, många studier har fokuserat på att testa ny minnesteknik för att överträffa prestandan hos konventionella DRAM.

De mest grundläggande enheterna i ett minneschip är dess minnesceller. Varje cell lagrar vanligtvis en enda bit genom att anta och hålla ett av två möjliga spänningsvärden, som motsvarar ett lagrat värde på antingen noll eller ett. Den individuella cellens egenskaper bestämmer till stor del prestandan för det totala minneschippet. Enklare och mindre celler med hög hastighet och låg energiförbrukning skulle vara idealiska för att ta högeffektiv datoranvändning till nästa nivå.

Ett forskarlag från Tokyo Tech ledd av prof. Taro Hitosugi och studenten Yuki Watanabe nådde nyligen en ny milstolpe på detta område. Dessa forskare hade tidigare utvecklat en ny minnesenhet inspirerad av designen av solida litiumjonbatterier. Den bestod av en stapel av tre solida lager gjorda av litium, litiumfosfat och guld. Denna stack är i huvudsak ett miniatyrbatteri med låg kapacitet som fungerar som en minnescell; det kan snabbt växlas mellan laddat och urladdat tillstånd som representerar de två möjliga värdena på en bit. Dock, guld kombineras med litium för att bilda ett tjockt legeringsskikt, vilket ökar mängden energi som krävs för att växla från ett tillstånd till ett annat.

I deras senaste studie, forskarna skapade en liknande trelagers minnescell med nickel istället för guld. De förväntade sig bättre resultat med nickel eftersom det inte lätt bildar legeringar med litium, vilket skulle leda till lägre energiförbrukning vid byte. Minnesenheten de producerade var mycket bättre än den föregående; den kunde faktiskt hålla tre spänningstillstånd istället för två, vilket betyder att det är en minnesenhet med tre värden. "Detta system kan ses som ett extremt låg kapacitet tunnfilmslitiumbatteri med tre laddade tillstånd, " förklarar Prof. Hitosugi. Detta är en mycket intressant funktion med potentiella fördelar för implementeringar av tre värden, vilket kan vara mer områdeseffektivt.

Forskarna fann också att nickel bildar ett mycket tunt nickeloxidskikt mellan Ni- och litiumfosfatskikten (se fig. 1). och detta oxidskikt är väsentligt för lågenergiomkopplingen av enheten. Oxidskiktet är mycket tunnare än guld-litium-legeringarna som bildades i deras tidigare enhet, vilket innebär att denna nya "minibatteri"-cell har mycket låg kapacitet och därför snabbt och enkelt växlas mellan tillstånden genom att applicera minimala strömmar. "Potentialen för extremt låg energiförbrukning är den mest anmärkningsvärda fördelen med denna enhet, " anmärker prof. Hitosugi.

Ökad hastighet, lägre energiförbrukning och mindre storlek är alla önskvärda funktioner för framtida minnesenheter. Minnescellen som utvecklats av detta forskarteam är en lovande språngbräda mot mycket mer energieffektiv och snabbare datoranvändning.