Novità del settore

Dispositivo di memoria piccolo, veloce e ad alta efficienza energetica ispirato alle batterie agli ioni di litio

2022-04-18

dell'Istituto di Tecnologia di Tokyo



Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) e dell'Università di Tokyo (UTokyo) hanno sviluppato un nuovo dispositivo di memoria a tre valori ispirato alle solide batterie agli ioni di litio. Il dispositivo proposto, che ha un consumo energetico estremamente basso, potrebbe essere la chiave per lo sviluppo di componenti di memoria ad accesso casuale (RAM) più efficienti dal punto di vista energetico e più veloci, che sono onnipresenti nei computer moderni.

Praticamente tutti i dispositivi digitali che eseguono qualsiasi tipo di elaborazione delle informazioni richiedono una memoria rapida in grado di contenere temporaneamente gli input, i risultati parziali e gli output delle operazioni eseguite. Nei computer, questa memoria viene definita memoria dinamica ad accesso casuale o DRAM. La velocità della DRAM è importante e può avere un impatto significativo sulla velocità complessiva del sistema. Inoltre, la riduzione del consumo energetico dei dispositivi di memoria è diventata di recente un argomento caldo per ottenere un'elaborazione altamente efficiente dal punto di vista energetico. Pertanto, molti studi si sono concentrati sulla sperimentazione di nuove tecnologie di memoria per superare le prestazioni della DRAM convenzionale.

Le unità più basilari in un chip di memoria sono le sue celle di memoria. Ogni cella memorizza tipicamente un singolo bit adottando e mantenendo uno dei due possibili valori di tensione, che corrispondono a un valore memorizzato di zero o uno. Le caratteristiche della singola cella determinano in gran parte le prestazioni del chip di memoria complessivo. Celle più semplici e più piccole con alta velocità e basso consumo energetico sarebbero l'ideale per portare l'elaborazione altamente efficiente al livello successivo.

Un team di ricerca della Tokyo Tech guidato dal Prof. Taro Hitosugi e dallo studente Yuki Watanabe ha recentemente raggiunto una nuova pietra miliare in questo settore. Questi ricercatori avevano precedentemente sviluppato un nuovo dispositivo di memoria ispirato al design di solide batterie agli ioni di litio. Consisteva in una pila di tre strati solidi di litio, fosfato di litio e oro. Questo stack è essenzialmente una batteria in miniatura a bassa capacità che funziona come una cella di memoria; può essere rapidamente commutato tra stato carico e stato scaricato che rappresentano i due possibili valori di un bit. Tuttavia, l'oro si combina con il litio per formare uno spesso strato di lega, che aumenta la quantità di energia necessaria per passare da uno stato all'altro.

Nel loro ultimo studio, i ricercatori hanno creato una cella di memoria a tre strati simile usando il nichel invece dell'oro. Si aspettavano risultati migliori utilizzando il nichel perché non forma facilmente leghe con il litio, il che comporterebbe un minor consumo di energia durante il passaggio. Il dispositivo di memoria che hanno prodotto era molto migliore del precedente; potrebbe effettivamente contenere tre stati di tensione invece di due, il che significa che è un dispositivo di memoria a tre valori. "Questo sistema può essere visto come una batteria al litio a film sottile di capacità estremamente bassa con tre stati di carica", spiega il Prof. Hitosugi. Questa è una caratteristica molto interessante con potenziali vantaggi per implementazioni di memoria a tre valori, che potrebbero essere più efficienti in termini di area.

I ricercatori hanno anche scoperto che il nichel forma uno strato molto sottile di ossido di nichel tra gli strati di Ni e fosfato di litio (vedi Fig. 1), e questo strato di ossido è essenziale per la commutazione a bassa energia del dispositivo. Lo strato di ossido è molto più sottile di quello delle leghe oro-litio che si sono formate nel loro dispositivo precedente, il che significa che questa nuova cella "mini-batteria" ha una capacità molto bassa ed è quindi facile e veloce passare da uno stato all'altro applicando minuscole correnti . "Il potenziale per un consumo energetico estremamente basso è il vantaggio più notevole di questo dispositivo", osserva il Prof. Hitosugi.

Maggiore velocità, minor consumo di energia e dimensioni ridotte sono tutte caratteristiche desiderabili per i futuri dispositivi di memoria. La cella di memoria sviluppata da questo gruppo di ricerca è un promettente trampolino di lancio verso un'elaborazione molto più efficiente dal punto di vista energetico e più veloce.