Fajar Matriks Memori yang Cepat dan Sangat Efisien

Peneliti Stanford telah mengembangkan memori perubahan fase baru yang dapat membantu komputer memproses data dalam jumlah besar dengan lebih cepat dan efisien.

Kami menugaskan komputer kami untuk memproses data dalam jumlah yang terus meningkat untuk mempercepat penemuan obat, meningkatkan prediksi cuaca dan iklim, melatih kecerdasan buatan, dan banyak lagi. Untuk memenuhi permintaan ini, kita memerlukan memori komputer yang lebih cepat dan hemat energi dibandingkan sebelumnya.

Inovasi dalam Teknologi Memori

Para peneliti di Stanford telah menunjukkan bahwa material baru dapat menjadikan memori perubahan fase – yang bergantung pada peralihan antara kondisi resistansi tinggi dan rendah untuk menghasilkan data komputer satu dan nol – sebuah opsi yang lebih baik untuk AI di masa depan dan sistem yang berpusat pada data. Teknologi mereka yang dapat diskalakan, seperti yang dirinci baru-baru ini di Komunikasi Alamcepat, berdaya rendah, stabil, tahan lama, dan dapat dibuat pada suhu yang sesuai dengan manufaktur komersial.

“Kami tidak hanya meningkatkan satu metrik saja, seperti ketahanan atau kecepatan; kami meningkatkan beberapa metrik secara bersamaan,” kata Eric Pop, Profesor Teknik Elektro Pease-Ye dan profesor ilmu dan teknik material di Stanford. “Ini adalah hal paling realistis dan ramah industri yang kami bangun di bidang ini. Saya ingin menganggapnya sebagai langkah menuju memori universal.”

Meningkatkan Efisiensi Komputasi

Komputer saat ini menyimpan dan memproses data di lokasi terpisah. Memori volatil – yang cepat namun menghilang ketika komputer Anda mati – menangani pemrosesan, sedangkan memori nonvolatil – yang tidak secepat namun dapat menyimpan informasi tanpa input daya konstan – menangani penyimpanan data jangka panjang. Pergeseran informasi antara dua lokasi ini dapat menyebabkan kemacetan saat prosesor menunggu data dalam jumlah besar diambil.

“Dibutuhkan banyak energi untuk memindahkan data bolak-balik, terutama dengan beban kerja komputasi saat ini,” kata Xiangjin Wu, salah satu penulis utama makalah ini dan kandidat doktor yang dibimbing oleh Pop dan Philip Wong, Willard R. dan Profesor Inez Kerr Bell di Fakultas Teknik. “Dengan jenis memori ini, kami berharap dapat mendekatkan memori dan pemrosesan, pada akhirnya menjadi satu perangkat, sehingga menggunakan lebih sedikit energi dan waktu.”

Ada banyak kendala teknis untuk mencapai memori universal yang efektif dan layak secara komersial yang mampu melakukan penyimpanan jangka panjang dan pemrosesan yang cepat dan berdaya rendah tanpa mengorbankan metrik lainnya, namun memori perubahan fase baru yang dikembangkan di laboratorium Pop sudah hampir dicapai oleh siapa pun. sejauh ini dengan teknologi ini. Para peneliti berharap hal ini akan menginspirasi pengembangan lebih lanjut dan adopsi sebagai memori universal.

Janji Paduan GST467

Memorinya mengandalkan GST467, an paduan dari empat bagian germanium, enam bagian antimon, dan tujuh bagian telurium, yang dikembangkan oleh kolaborator di Universitas Maryland. Pop dan rekan-rekannya menemukan cara untuk mengapit paduan tersebut di antara beberapa bahan setipis nanometer lainnya dalam superlattice, struktur berlapis yang sebelumnya mereka gunakan untuk mencapai hasil memori nonvolatile yang baik.

“Komposisi unik GST467 memberikan kecepatan peralihan yang sangat cepat,” kata Asir Intisar Khan, yang memperoleh gelar doktor di lab Pop dan salah satu penulis utama makalah tersebut. “Mengintegrasikannya ke dalam struktur superlattice di skala nano Perangkat ini memungkinkan peralihan energi yang rendah, memberi kita daya tahan yang baik, stabilitas yang sangat baik, dan membuatnya tidak mudah menguap – perangkat ini dapat mempertahankan kondisinya selama 10 tahun atau lebih.”

Menetapkan Standar Baru

Superlattice GST467 memenuhi beberapa tolok ukur penting. Memori perubahan fase terkadang dapat berubah seiring waktu – pada dasarnya nilai satu dan nol dapat bergeser secara perlahan – tetapi pengujian mereka menunjukkan bahwa memori ini sangat stabil. Ia juga beroperasi pada tegangan di bawah 1 volt, yang merupakan tujuan dari teknologi berdaya rendah, dan jauh lebih cepat daripada solid-state drive pada umumnya.

“Beberapa jenis memori nonvolatile lainnya mungkin sedikit lebih cepat, namun beroperasi pada voltase lebih tinggi atau daya lebih tinggi,” kata Pop. “Dengan semua teknologi komputasi ini, terdapat trade-off antara kecepatan dan energi. Fakta bahwa kita beralih dalam waktu beberapa puluh nanodetik saat beroperasi di bawah satu volt adalah masalah besar.”

Superlattice juga mengemas sejumlah sel memori ke dalam ruang kecil. Para peneliti telah memperkecil diameter sel memori menjadi 40 nanometer – kurang dari setengah ukuran virus corona. Memang tidak terlalu padat, namun para peneliti sedang mencari cara untuk mengimbanginya dengan menumpuk memori dalam lapisan vertikal, hal ini dimungkinkan berkat suhu fabrikasi superlattice yang rendah dan teknik yang digunakan untuk membuatnya.

“Suhu fabrikasi jauh di bawah yang Anda butuhkan,” kata Pop. “Orang-orang membicarakan tentang menumpuk memori dalam ribuan lapisan untuk meningkatkan kepadatan. Jenis memori ini dapat memungkinkan pelapisan 3D di masa depan.”

Referensi: “Kisi super nanokomposit baru untuk memori perubahan fase skala nano berenergi rendah dan stabilitas tinggi” oleh Xiangjin Wu, Asir Intisar Khan, Hengyuan Lee, Chen-Feng Hsu, Huairuo Zhang, Heshan Yu, Neel Roy, Albert V. Davydov, Ichiro Takeuchi, Xinyu Bao, H.-S. Philip Wong dan Eric Pop, 22 Januari 2024, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-023-42792-4

Pop adalah anggota Stanford SystemX Alliance dan afiliasi SLAC dan Precourt Institute for Energy. Wong adalah seorang profesor teknik elektro, anggota Stanford Bio-X, Wu Tsai Neurosciences Institute, dan afiliasi dari Precourt Institute for Energy.

Rekan penulis tambahan berasal dari Perusahaan Manufaktur Semikonduktor Taiwan, Institut Standar dan Teknologi Nasional, Theiss Research Inc, Universitas Maryland, dan Universitas Tianjin.

Pekerjaan ini didanai oleh Inisiatif Penelitian Teknologi Memori Non-Volatile Stanford, Perusahaan Riset Semikonduktor, Departemen Perdagangan AS, dan Institut Standar dan Teknologi Nasional.