EnglishPiepklein geheugenonderdeel werkt al bij 0,6 volt en overleeft een biljoen keer schakelen
Onderzoekers uit Zuid-Korea, samen met Samsung, maakten een geheugenonderdeel van 5 nanometer dik dat al bij 0,6 volt snel schakelt en een biljoen keer schakelen doorstaat. Dat kan op termijn geheugen opleveren dat minder stroom kost, ook in AI-servers.
Een team van Seoul National University heeft een onderdeel voor computergeheugen gemaakt dat al bij 0,6 volt betrouwbaar schakelt. Het onderzoek, onder leiding van professor Min Hyuk Park, gebeurde samen met Hanyang University, het Pohang Accelerator Laboratory en Samsung Electronics. Het staat in het vakblad Nature Communications; de universiteit maakte het op 4 november bekend.
Het probleem: snel, zuinig en lang meegaan
Het werkgeheugen van computers en telefoons (DRAM) bewaart elk bitje als een klein beetje elektrische lading. Die lading lekt langzaam weg, dus het geheugen moet de gegevens steeds opnieuw opfrissen. Dat kost stroom, ook als de computer niets doet. In AI-servers en telefoons is dat stroomverbruik een groot knelpunt, schrijft de universiteit.
Ferro-elektrisch geheugen werkt anders. In het materiaal staat de elektrische lading de ene of de andere kant op, en die stand blijft bewaard zonder dat er stroom bij komt. Opfrissen is dan veel minder nodig. Lastig was tot nu toe dat sneller omschakelen een hogere spanning vraagt, en een hogere spanning slijt het materiaal sneller. Onderzoekers noemen dat het dilemma tussen snelheid en levensduur.
Wat het team deed
Het onderdeel is een laagje van 5 nanometer dik, ongeveer 20.000 keer dunner dan een vel papier. Het bestaat uit hafnium-zirkoniumoxide tussen twee elektroden van titaniumnitride. Het team bouwde de overgang tussen elektrode en materiaal zo dat daar minder spanning verloren gaat. Daardoor is er van buiten minder spanning nodig om het onderdeel om te zetten.
Bij 0,6 volt schakelde de helft van het materiaal om in ongeveer 42 miljardste van een seconde, bij 1 volt in ongeveer 8 miljardste van een seconde. Na een biljoen keer schakelen was het onderdeel niet doorgeslagen. Met een strengere maatstaf, waarbij het onderdeel minder dan een vijfde van zijn signaal mag verliezen, hield het 600 miljard keer schakelen vol bij 0,6 volt en een biljoen keer bij 1 volt. Volgens de onderzoekers is die combinatie van lage spanning, snelheid en levensduur de beste tot nu toe.
Een opvallende vondst: een elektrisch veld in het materiaal dat normaal slecht is voor het bewaren van gegevens, hielp aan het begin van het omschakelen juist mee. Zo was er minder spanning van buiten nodig.
Van labonderdeel naar geheugenchip
Het team stelt ook een opbouw voor een geheugenchip voor die lijkt op die van gewoon DRAM, met per geheugencel één transistor en één zo'n onderdeel. In computersimulaties werkte die opzet. Uit hun metingen berekenen de onderzoekers dat een onderdeel zo klein als in echte DRAM-chips zelfs binnen een miljardste van een seconde zou kunnen schakelen. Dat is een berekening; de volgende stap is zulke kleine onderdelen echt te bouwen en te testen.
Een voordeel voor chipfabrieken: hafniumoxide en zirkoniumoxide worden al gebruikt bij het maken van chips. Daardoor past het materiaal goed bij de bestaande productie, volgens de onderzoekers. Het onderzoek werd betaald door het Zuid-Koreaanse ministerie voor wetenschap en ICT, via de nationale onderzoeksstichting, en deels door Samsung Electronics.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
AI-servers hebben steeds meer snel geheugen nodig, en dat geheugen kost stroom. Geheugen dat gegevens vasthoudt zonder steeds op te frissen, kan dat verbruik verlagen, in datacenters en in telefoons. Dit onderdeel laat zien dat lage spanning, snelheid en een lange levensduur samen kunnen gaan, in een materiaal dat de chipindustrie al kent. De volgende stap is laten zien dat het ook in echte geheugenchips werkt. Lukt dat, dan komt zuinige rekenkracht voor steeds grotere AI-systemen een stap dichterbij.
