Материалы-трансформеры сделают компьютеры в 1000 раз быстрее

Современные ограничения на размеры и быстродействие компьютерных процессоров и памяти могут быть преодолены заменой кремния на фазовые материалы (phase-change materials, PCM), способные к обратимым переходам между двумя структурными фазами с различными электрическими состояниями. Преобразование проводящего кристалла в диэлектрическое «стекло» и обратно происходит в них за миллиардные доли секунды.

Моделирование и тестирование устройств на базе PCM показало, что в таких энергонезависимых ячейках памяти посредством определенных комбинаций сверхкоротких импульсов напряжения можно выполнять логические операции, т.е. память и логика объединены, что невозможно для кремниевой электроники.

Согласно выводам ученых, представленным в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, эти материалы способны в конечном итоге обеспечить скорость вычислений в 500-1000 раз выше, чем у среднего современного ноутбука, при параллельном снижении расхода энергии.

В экспериментальных процессорах, разработанных сотрудниками Кембриджа, Института хранения данных A*STAR и Сингапурского университета технологии и дизайна, используется разновидность халькогенидного стекла, плавящаяся и рекристаллизующаяся под воздействием подобранных импульсов напряжения всего за половину наносекунды. Обычно скорость кристаллизации PCM составляет порядка 10 нс и делает их пригодными для замещения кремния во флэш-памяти. Рост ее до одной наносекунды позволяет говорить уже об альтернативе традиционным устройствам оперативной памяти DRAM. Применение PCM перспективно еще и потому, что такая память будет энергонезависима, то есть отпадет необходимость в расходовании энергии на постоянное ее обновление.

В настоящее время самые миниатюрные логические и запоминающие устройства на основе кремния имеют характерный размер около 20 нм и организованы слоями. Дальнейшее уменьшение промежутков между слоями ведет к растущей утечке данных из-за самопроизвольного туннелирования электронов, хранящихся в определенных участках памяти.

PCM-устройства способны преодолеть характерный для кремния предел миниатюризации: авторами было показано, что возможность их функционирования сохраняется при масштабировании примерно до двух нанометров.

В ранних опытах выполнения логических операций в памяти, устройства на базе аморфных PCM демонстрировали низкое быстродействие и нестабильность. Ученые из Кембриджа и Сингапура нашли способ исправить этот недостаток: если PCM берутся в исходном кристаллическом состоянии и лишь затем расплавляются для выполнения логических операций, то как стабильность так и быстродействие таких материалов существенно улучшаются.