Существующие ограничения по размеру и скорости компьютерных процессоров и памяти можно преодолеть, заменив кремний «материалами с фазовым переходом» (PCM), которые способны обратимо переключаться между двумя структурными фазами с разными электрическими состояниями — кристаллической и проводящей и другие стеклянные и изолирующие — в миллиардных долях секунды.Моделирование и испытания устройств на основе PCM показали, что операции логической обработки могут выполняться в ячейках энергонезависимой памяти с использованием определенных комбинаций ультракоротких импульсов напряжения, что невозможно для устройств на основе кремния.В этих новых устройствах логические операции и память расположены вместе, а не разделены, как в компьютерах на основе кремния.
Эти материалы могут в конечном итоге обеспечить скорость обработки в 500–1000 раз выше, чем у современного среднего портативного компьютера, при этом потребляя меньше энергии. Результаты опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.В процессорах, разработанных исследователями из Кембриджского университета, Сингапурского института хранения данных A * STAR и Сингапурского университета технологии и дизайна, используется тип PCM на основе халькогенидного стекла, которое можно расплавить и перекристаллизовать с минимальными затратами. как половину наносекунды (миллиардную долю секунды) с использованием соответствующих импульсов напряжения.
Расчеты, выполняемые большинством компьютеров, мобильных телефонов и планшетов, выполняются логическими устройствами на основе кремния. Твердотельная память, используемая для хранения результатов таких вычислений, также основана на кремнии. «Однако, поскольку спрос на более быстрые компьютеры продолжает расти, мы быстро приближаемся к пределу возможностей кремния», — сказал профессор Стивен Эллиотт из Кембриджского химического факультета, руководивший исследованием.Основным методом увеличения мощности компьютеров ранее было увеличение количества логических устройств, которые они содержат, путем постепенного уменьшения размера устройств, но физические ограничения для текущих архитектур устройств означают, что это быстро становится практически невозможным для продолжения.
В настоящее время самые маленькие логические устройства и устройства памяти на основе кремния имеют размер около 20 нанометров — примерно в 4000 раз тоньше человеческого волоса — и состоят из слоев. Поскольку устройства становятся все меньше, чтобы их количество на кристалле увеличивалось, со временем зазоры между слоями станут настолько маленькими, что электроны, которые хранятся в определенных областях устройств флэш-энергонезависимой памяти, смогут туннелировать из них. устройство, что приведет к потере данных.
Устройства PCM могут преодолеть этот предел масштабирования размера, поскольку было показано, что они работают до двух нанометров.Альтернативой для увеличения скорости обработки без увеличения количества логических устройств является увеличение количества вычислений, которые может выполнять каждое устройство, что невозможно с использованием кремния, но исследователи продемонстрировали, что для устройств логики / памяти PCM возможно несколько вычислений.Впервые разработанные в 1960-х годах, ИКМ изначально использовались в устройствах с оптической памятью, таких как перезаписываемые DVD. Теперь они начинают использоваться для приложений электронной памяти и начинают заменять кремниевую флеш-память в некоторых моделях смартфонов.
У устройств PCM, недавно продемонстрированных для выполнения логики в памяти, есть недостатки: в настоящее время они не выполняют вычисления с той же скоростью, что и кремний, и демонстрируют отсутствие стабильности в начальной аморфной фазе.Однако исследователи из Кембриджа и Сингапура обнаружили, что, выполняя процесс логических операций в обратном порядке — начиная с кристаллической фазы и затем расплавляя ПКМ в ячейках для выполнения логических операций, — материалы становятся намного более стабильными и способными. выполнения операций намного быстрее.
Внутренняя скорость переключения или кристаллизации существующих PCM составляет около десяти наносекунд, что делает их пригодными для замены флэш-памяти. Увеличивая скорость еще больше, до менее одной наносекунды (как продемонстрировали исследователи из Кембриджа и Сингапура в 2012 году), они могут однажды заменить компьютерную динамическую память с произвольным доступом (DRAM), которую необходимо постоянно обновлять, не поддерживающей летучая замена PCM.В системе на основе кремния информация перемещается, что требует как времени, так и энергии. «В идеале мы хотели бы, чтобы информация создавалась и хранилась в одном месте», — сказал доктор Десмонд Локе из Сингапурского университета технологий и дизайна, ведущий автор статьи. «Кремний непостоянен: информация генерируется, проходит через нее и должна храниться в другом месте.
Но при использовании логических устройств PCM информация остается в том месте, где она генерируется».«В конце концов, мы действительно хотим заменить как DRAM, так и логические процессоры в компьютерах новыми энергонезависимыми устройствами на основе PCM», — сказал профессор Эллиотт. «Но для этого нам нужна скорость переключения, приближающаяся к одной наносекунде. В настоящее время обновление DRAM приводит к утечке огромного количества энергии во всем мире, что является дорогостоящим как с финансовой точки зрения, так и с точки зрения окружающей среды.
Более быстрое переключение с помощью PCM могло бы значительно сократить это, в результате чего компьютеры не просто быстрее, но и намного экологичнее ».Исследование частично финансировалось Советом по исследованиям в области инженерных и физических наук Великобритании (EPSRC).