Можливе майбутнє пам'яті

Ілія Толі (IliaToli) опублікував статтю, у якій він представив проект революційної архітектури пам'яті на основі фторографену (CF) – одношарового матеріалу, де кожен атом вуглецю пов'язаний з одним атомом фтору. Основна ідея: інформація зберігається не у вигляді електричного заряду, а завдяки геометрії ковалентного зв'язку.

В основі технології лежить бістабільна орієнтація атома фтору щодо площини каркасу вуглецю («вгору» — 1, «вниз» — 0).

За рахунок запису на атомному рівні густина досягає 447 ТБ на 1 см². Це на п'ять порядків вище, ніж сучасні чіпи NAND flash, що є рекордом на сьогодні.

Важливою властивістю нової пам'яті є енергонезалежність. Стан біта визначається ковалентним зв'язком. Енергетичний бар'єр інверсії становить ~4,6 эВ, що робить мимовільний перехід (помилку) фізично неможливим.

При зберіганні пам'ять не споживає енергії. Енергія потрібна лише для перезапису; для утримання даних живленння не потрібне. Термін зберігання даних практично необмежений. Але чому саме фтор?

Автори доводять, що фтор - єдиний елемент у таблиці Менделєєва, що ідеально підходить для такої пам'яті.

Насамперед маса. На відміну від водню (графану), фтор достатньо важкий, що повністю пригнітити квантове тунелювання (мимовільний «перекид» атома).

Далі розмір. Атом фтору достатньо малий, щоб пройти через щілину C–C під час пірамідальної інверсії, не розриваючи хімічний зв'язок.

І, нарешті, фтор утворює стабільний
гібридизований зв'язок, що забезпечує жорсткість структури.

Для впровадження технології запропоновано  дорожню карту, яка складається з трьох етапів.

На першому, поточному етапі, як технологія використовується скан-зондова мікроскопія (AFM/STM). Її особливість полягає в тому, що запис та читання виконуються окремими голками. Щільність максимальна, але низька швидкість (архівне зберігання). На етапі два (ближній термін) застосовуються масиви ІЧ-апертур ближнього поля. На цьому етапі технологічною особливістю є застосування резонансного ІЧ-випромінювання (37 ТГц) для інверсії зв'язків. Тут прогнозована сукупна пропускна здатність може досягати 25 ПБ/с. Нарешті на третьому етапі, який планується на далекий термін, будуть використані наноантени та плазмонні резонатори. Його відмінність – це субнанометрова адресація на терагерцових частотах.

Пам'ять матиме двосторонню архітектуру. Читання та запис будуть виконуватися одночасно з двох сторін листа, що дозволяє автоматично виявляти дефекти (наприклад, вакансії фтору).

З погляду економіки та виробництва, технологія здатна спричинити обвал ринку традиційної напівпровідникової пам'яті. Це може статися шляхом спрощення техпроцесса. Замість 700+ етапів виробництва NAND (літографія, травлення, допування) потрібно всього 4 етапи (зростання графену, перенесення, фторування, контроль). Далі, за рахунок суттєвого зниження вартості. Собівартість сировини оцінюється в $0.20 за 1 ТБ, що на порядки дешевше за поточні ринкові ціни. Не останню роль відіграє екологічність. Для виробництва не потрібні надчисті кімнати вартістю десятки мільярдів доларів. До того ж, виробництво менш енерговитратне.

Пам'ять характеризується стійкістю та надійністю. Ковалентні грати фторографану значно міцніше кремнію, що забезпечує радіаційну стійкість. Поріг усунення атомів вищий, що робить пам'ять ідеальною для космосу та ядерної енергетики.

Важливою є також відсутність деградації. Процес інверсії зв'язку не руйнує структуру. Тепло від запису розсіюється за пікосекунди, не пошкоджуючи сусідні біти.

Ще одна "приємна дрібниця" - це самоочищення. Поверхня матеріалу має властивості, схожі з тефлоном (гідрофобність, низька адгезія), що запобігає забрудненню.

Отже, фторографанова пам'ять — це перехід від «транзисторної» парадигми до атомно-геометрической. Вона вирішує проблему «стіни памяті» (розриву швидкості процесора і пам'яті) і пропонує рішення глобального дефіциту чіпів зберігання, використовуючи фундаментальні властивості вуглецевих наноматеріалів.

                                                           
Обидва бітові стани фторфеналану. Темні сфери: вуглець (sp3). Блакитні сфери: фтор. 
Ліворуч: рівновага F-up (біт 1); загальна енергія −2691.993564 Eh, нуль уявних частот, енергія нульової точки (ZPE) = 0.14650 Eh.
Праворуч: рівновага F-down (біт 0); загальна енергія −2691.937937 Eh, нуль уявних частот, енергія нульової точки (ZPE) = 0.14666 Eh. 

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI