Les puces mémoire dans les téléphones, les ordinateurs portables et autres appareils électroniques doivent être petits, rapide et consommez le moins d'énergie possible. Pendant des années, les puces de silicium ont tenu cette promesse.

Mais pour prolonger considérablement la durée de vie de la batterie des gadgets mobiles, et de créer des datacenters beaucoup moins énergivores, les ingénieurs développent des puces mémoire basées sur de nouveaux nanomatériaux avec des capacités que le silicium ne peut égaler.

Dans trois expériences récentes, Les ingénieurs de Stanford font la démonstration de matériaux et de technologies post-silicium qui stockent plus de données par pouce carré et utilisent une fraction de l'énergie des puces mémoire actuelles.

Le fil conducteur des trois expériences est le graphène, un matériau extraordinaire isolé il y a une dizaine d'années mais qui avait, jusqu'à maintenant, relativement peu d'applications pratiques en électronique.

Un parent purifié de la mine de crayon, Le graphène se forme lorsque des atomes de carbone se lient en feuilles d'une épaisseur d'un seul atome. Le graphène ultra-mince est plus résistant que l'acier, aussi conducteur que le cuivre et possède des propriétés thermiques utiles dans l'électronique à l'échelle nanométrique.

"Le graphène est la star de cette recherche, " a déclaré Eric Pop, professeur agrégé de génie électrique et contributeur à deux des trois projets de mémoire. "Avec ces nouvelles technologies de stockage, il serait envisageable de concevoir un smartphone capable de stocker 10 fois plus de données, utilisant moins d'énergie de la batterie, que la mémoire que nous utilisons aujourd'hui."

Professeur H.-S. Philip Wong et Pop ont dirigé un groupe international de collaborateurs qui décrivent trois technologies de mémoire centrées sur le graphène dans des articles distincts de Nature Communications, Lettres Nano et Lettres de Physique Appliquée.

Alors que les consommateurs peuvent apprécier l'application mobile de ces nouvelles technologies, Les ingénieurs pensent que les puces de mémoire post-silicium peuvent également transformer les fermes de serveurs qui doivent stocker et fournir un accès rapide aux vastes quantités de données stockées dans le cloud.

« Le stockage de données est devenu un gros consommateur d'électricité, et de nouvelles technologies de mémoire à semi-conducteurs telles que celles-ci pourraient également transformer le cloud computing, " a déclaré Wong.

Relooking de la mémoire

Les puces mémoire stockent les données sous la forme d'une chaîne de uns et de zéros. Aujourd'hui, la plupart des puces mémoire sont à base de silicium, et se déclinent en deux types de base – volatiles et non volatiles. Mémoire volatile, tels que la mémoire vive (RAM), offre un stockage rapide mais temporaire. Lorsque le courant est coupé, les zéros et les uns disparaissent.

Une mémoire non volatile, comme la mémoire flash des téléphones portables, est lent mais stable. Même si la batterie expire, les données restent.

Les ingénieurs dirigés par Stanford montrent comment créer de la mémoire avec la vitesse de la RAM et la persistance du flash en utilisant de nouveaux matériaux et technologies qui nécessitent moins d'énergie que le silicium pour stocker les zéros et les uns.

Dans Nature Communications, Wong a travaillé avec le boursier postdoctoral Seunghyun Lee et le doctorant Joon Sohn sur une technique connue sous le nom de mémoire résistive à accès aléatoire, ou RRAM pour faire court.

Dans les puces RRAM, de minuscules secousses électriques font basculer certains oxydes métalliques entre les états résistif et conducteur. Lorsque les oxydes métalliques résistent au flux d'électrons, cela crée un zéro. Lorsque les matériaux conduisent les électrons, c'est un. La RRAM est rapide, comme la mémoire volatile au silicium, mais comme la mémoire flash, elle conserve les données stockées lorsque l'alimentation est coupée.

Ce travail démontre la possibilité de construire une RRAM non volatile tout en stockant densément les données sans consommer plus d'énergie.

De nouvelles phases de mémoire

Dans deux autres articles, Publié dans Lettres de physique appliquée et Lettres nano , Pop et Wong ont dirigé des équipes de recherche qui ont utilisé le graphène pour faire des progrès avec une approche de stockage différente mais conceptuellement similaire appelée mémoire à changement de phase.

En mémoire à changement de phase, une infime secousse électrique provoque un alliage de germanium, l'antimoine et le tellure pour changer sa structure atomique. Une secousse modifie les atomes dans un ordre régulier, structure cristalline qui permet aux électrons de circuler, notée comme numérique. Un deuxième à-coup rend la structure irrégulière, ou amorphe, créer un zéro. Chaque secousse bascule rapidement le matériau à changement de phase de un à zéro. Comme RRAM, il conserve ses données stockées lorsque l'alimentation est coupée.

Dans l'article Lettres de physique appliquée, Pop a dirigé une équipe qui comprenait d'anciens étudiants de l'Université de l'Illinois Urbana-Champaign et des collaborateurs des universités de Modène et de Bologne en Italie. Ils ont utilisé des rubans de graphène comme électrodes ultrafines pour croiser des cellules mémoire à changement de phase, comme des brochettes piquant des guimauves. Cette configuration a également exploité le bord atomiquement mince du graphène pour pousser le courant dans le matériau, et changer sa phase, à nouveau d'une manière extrêmement économe en énergie.

Dans l'article de Nano Letters, Pop et Wong ont utilisé à la fois les propriétés électriques et thermiques du graphène dans une puce mémoire à changement de phase. Cependant, dans une torsion, ici, ils ont utilisé la surface de la feuille de graphène pour entrer en contact avec l'alliage à mémoire à changement de phase. En substance, le graphène empêchait la chaleur de s'échapper du matériau à changement de phase, créer une cellule mémoire plus économe en énergie.

Ces études montrent que le graphène est loin d'être une curiosité de laboratoire, Pop et Wong disent. Le matériel électrique unique, les propriétés thermiques et atomiquement minces peuvent être utilisées pour créer un stockage de données plus économe en énergie. De telles propriétés n'existent pas dans le monde du silicium, mais pourrait potentiellement transformer la façon dont nous stockons et accédons à nos données numériques à l'avenir.