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.

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 na Nature Communications, é rápida, de baixo consumo de energia, estável, duradoura e pode ser fabricada 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.”

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 o outro, especialmente com as cargas de trabalho de computação atuais”, disse Xiangjin Wu , coautor principal do artigo e candidato a doutorado coorientado 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 memória depende do GST467, uma liga de quatro partes de germânio, seis partes de antimônio e sete partes de telúrio, desenvolvida 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 coautor principal do artigo. “Integrá-lo na estrutura da superrede em dispositivos em nanoescala permite baixa energia de comutação, dá-nos boa resistência, estabilidade muito boa e torna-o não volátil – pode manter o seu estado durante 10 anos ou mais.”

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 super rede 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.”