CBRAM (conductive bridging random access memory) skulle kunna spela en grundläggande roll i minnet i framtiden genom att lagra data i en icke-flyktig (dvs. nästan permanent) sätt. För att minska storleken och strömförbrukningen för sådana komponenter, det är viktigt att exakt förstå deras beteende på atomnivå.

Mathieu Luisier, docent vid ETH Zürich, och hans team studerade denna typ av minne, som består av två metallelektroder åtskilda av en isolator. Forskarna utvecklade en datormodell av ett CBRAM som består av cirka 4500 atomer och som följer kvantmekanikens lagar som styr den mikroskopiska världen. Denna simulering i atomskala gör det möjligt att exakt beskriva intensiteten av strömmen som genereras av en metallisk nanofilament när den bildas och löses upp mellan elektroderna.

Tio atomer tjocka

"Detta är ett stort steg framåt, säger Mathieu Luisier, som var SNSF-professor vid ETH Zürich från 2011 till 2016. "Hittills har befintliga modeller kunde bara hantera omkring hundra atomer." Den nya modellen återger den elektriska strömmen och den energi som cellen försvinner, exakt. i sin tur möjliggör beräkning av dess temperatur. Forskarna kan observera effekten av förändringar i isolatorns tjocklek och diametern på metalltråden. Resultaten, som presenterades vid IEDM-konferensen i San Francisco i december 2017, visa att lokal strömförbrukning och värme minskar om de två elektroderna flyttas närmare varandra. Men bara upp till en viss punkt:elektroder som är för nära är föremål för kvanttunneleffekten, och strömmen mellan dem är inte längre kontrollerbar.

Forskningen visar att i en optimal CBRAM-geometri, isolatorn är 1,5 till 2 nanometer (cirka 10 atomer) tjock. Tillverkning är fortfarande en utmaning, dock:maskiner som kan uppnå sådana dimensioner använder en termisk sondlitografiteknik som för närvarande är dåligt lämpad för massproduktion. "I dag, en typisk transistorkanal av CMOS-typ mäter cirka 20 nanometer, eller tio gånger tjockare än CBRAM-isolatorerna vi undersökte, " säger Luisier. Följaktligen, Moores lag – som förutspår att storleken på elektroniska komponenter kommer att halveras var 18–24:e månad – kan möta en vägg inom ett decennium.

För att uppnå sin 4500-atommodell, forskarna fick tillgång till världens tredje kraftfullaste dator – Piz Daint – som finns vid Swiss National Supercomputing Center (CSCS) i Lugano och kan utföra upp till 20 miljoner miljarder operationer per sekund. Denna typ av studier kräver 230 toppmoderna grafikkort; Piz Daint har mer än 4000 av dem. Varje kort har sin egen CPU. "Även med denna beräkningskraft, det tar tio timmar eller så att simulera ett minne och att bestämma dess elektriska egenskaper, säger Luisier.