A revolucionária memória universal de Stanford: o surgimento de uma matriz de memória rápida e ultraeficiente

Pesquisadores de Stanford desenvolveram uma nova memória de mudança de fase que poderia ajudar os computadores a processar grandes quantidades de dados de forma mais rápida e eficiente.

Estamos incumbindo nossos computadores de processar quantidades cada vez maiores de dados para acelerar a descoberta de medicamentos, melhorar as previsões meteorológicas e climáticas, treinar a inteligência artificial e muito mais. Para atender a essa demanda, precisamos de memória de computador mais rápida e com maior eficiência energética do que nunca.

Inovações em tecnologia de memória

Pesquisadores de Stanford demonstraram que um novo material pode tornar a memória de mudança de fase – que depende da alternância entre estados de alta e baixa resistência para criar uns e zeros de dados de computador – uma opção melhorada para futuras IA e sistemas centrados em dados. Sua tecnologia escalável, conforme detalhado recentemente em Comunicações da Naturezaé rápido, de baixo consumo de energia, estável, duradouro e pode ser fabricado em temperaturas compatíveis com a fabricação comercial.

“Não estamos melhorando apenas uma única métrica, como resistência ou velocidade; estamos melhorando várias métricas simultaneamente”, disse Eric Pop, professor Pease-Ye de Engenharia Elétrica e professor, por cortesia, de ciência e engenharia de materiais em Stanford. “Esta é a coisa mais realista e favorável à indústria que construímos nesta esfera. Gostaria de pensar nisso como um passo em direção a uma memória universal.”

Seções transversais de dispositivos de memória de mudança de fase nos estados de alta e baixa resistência. O diâmetro do eletrodo inferior é de aproximadamente 40 nanômetros. As setas marcam algumas das interfaces de van der Waals (vdW), que se formam entre as camadas dos materiais da superrede. A superrede é interrompida e reformada entre os estados de alta e baixa resistência.​ Crédito: Cortesia do Pop Lab

Melhorando a eficiência da computação

Os computadores atuais armazenam e processam dados em locais separados. A memória volátil – que é rápida, mas desaparece quando o computador é desligado – cuida do processamento, enquanto a memória não volátil – que não é tão rápida, mas pode armazenar informações sem entrada constante de energia – cuida do armazenamento de dados a longo prazo. A transferência de informações entre esses dois locais pode causar gargalos enquanto o processador aguarda a recuperação de grandes quantidades de dados.

“É preciso muita energia para transportar dados de um lado para outro, especialmente com as cargas de trabalho de computação atuais”, disse Xiangjin Wu, co-autor principal do artigo e candidato a doutorado co-orientado por Pop e Philip Wong, o Willard R. e Inez Kerr Bell Professora da Escola de Engenharia. “Com esse tipo de memória, esperamos realmente aproximar a memória e o processamento, em última análise, em um único dispositivo, para que ele use menos energia e tempo.”

Existem muitos obstáculos técnicos para alcançar uma memória universal eficaz e comercialmente viável, capaz tanto de armazenamento de longo prazo quanto de processamento rápido e de baixo consumo de energia, sem sacrificar outras métricas, mas a nova memória de mudança de fase desenvolvida no laboratório de Pop é o mais próximo que alguém já chegou. até agora com esta tecnologia. Os pesquisadores esperam que isso inspire um maior desenvolvimento e adoção como memória universal.

A promessa da liga GST467

A memória depende do GST467, um Liga de quatro partes de germânio, seis partes de antimônio e sete partes de telúrio, que foi desenvolvido por colaboradores da Universidade de Maryland. Pop e seus colegas encontraram maneiras de colocar a liga entre vários outros materiais com espessura nanométrica em uma superrede, uma estrutura em camadas que eles usaram anteriormente para obter bons resultados de memória não volátil.

“A composição única do GST467 proporciona uma velocidade de comutação particularmente rápida”, disse Asir Intisar Khan, que obteve seu doutorado no laboratório de Pop e é co-autor principal do artigo. “Integrando-o dentro da estrutura da superrede em nanoescala dispositivos permitem baixa energia de comutação, nos dão boa resistência, estabilidade muito boa e os tornam não voláteis – podem manter seu estado por 10 anos ou mais.”

Definindo uma nova barra

A superrede GST467 supera vários benchmarks importantes. A memória de mudança de fase às vezes pode variar com o tempo – essencialmente, o valor de uns e zeros pode mudar lentamente – mas seus testes mostram que essa memória é extremamente estável. Ele também opera abaixo de 1 volt, que é o objetivo da tecnologia de baixo consumo de energia, e é significativamente mais rápido do que uma unidade de estado sólido típica.

“Alguns outros tipos de memória não volátil podem ser um pouco mais rápidos, mas operam em voltagem ou potência mais altas”, disse Pop. “Com todas essas tecnologias de computação, existem compensações entre velocidade e energia. O fato de estarmos comutando em algumas dezenas de nanossegundos enquanto operamos abaixo de um volt é um grande problema.”

A superrede também agrupa uma boa quantidade de células de memória em um espaço pequeno. Os pesquisadores reduziram as células de memória para 40 nanômetros de diâmetro – menos da metade do tamanho de um coronavírus. Isso não é tão denso quanto poderia ser, mas os pesquisadores estão explorando maneiras de compensar empilhando a memória em camadas verticais, o que é possível graças à baixa temperatura de fabricação da superrede e às técnicas usadas para criá-la.

“A temperatura de fabricação está bem abaixo do que você precisa”, disse Pop. “As pessoas estão falando sobre empilhar a memória em milhares de camadas para aumentar a densidade. Este tipo de memória pode permitir futuras camadas 3D.”

Referência: “Novas superredes de nanocompósitos para memória de mudança de fase em nanoescala de baixa energia e alta estabilidade” por 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 e Eric Pop, 22 de janeiro de 2024, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-023-42792-4

Pop é membro da Stanford SystemX Alliance e afiliado do SLAC e do Precourt Institute for Energy. Wong é professor de engenharia elétrica, membro do Stanford Bio-X, do Wu Tsai Neurosciences Institute e afiliado do Precourt Institute for Energy.

Coautores adicionais são da Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, da Theiss Research Inc, da Universidade de Maryland e da Universidade de Tianjin.

Este trabalho foi financiado pela Stanford Non-Volatile Memory Technology Research Initiative, pela Semiconductor Research Corporation, pelo Departamento de Comércio dos EUA e pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia.