Forscher unter der Leitung der Universität Cambridge haben ein Gerät entwickelt, das Daten auf ähnliche Weise verarbeitet wie die Synapsen im menschlichen Gehirn. Die Geräte basieren auf Hafniumoxid, einem Material, das bereits in der Halbleiterindustrie verwendet wird, und winzigen selbstorganisierten Barrieren, die angehoben oder abgesenkt werden können, um Elektronen durchzulassen.
Diese Methode zur Änderung des elektrischen Widerstands in Computer-Speicherbausteinen, die es ermöglicht, Informationsverarbeitung und Speicher am selben Ort zu betreiben, könnte zur Entwicklung von Computer-Speicherbausteinen mit weitaus größerer Dichte, höherer Leistung und geringerem Energieverbrauch führen.
Heutige Technologien verbrauchen zu viel Energie
Der Datenhunger unserer Welt hat zu einem sprunghaften Anstieg des Energiebedarfs geführt, wodurch es immer schwieriger wird, die Kohlenstoffemissionen zu verringern. In den nächsten Jahren werden künstliche Intelligenz, Internetnutzung, Algorithmen und andere datengesteuerte Technologien voraussichtlich mehr als 30 Prozent des weltweiten Stroms verbrauchen.
„Dieser explosionsartige Anstieg des Energiebedarfs ist zu einem großen Teil auf die Unzulänglichkeiten der derzeitigen Computerspeichertechnologien zurückzuführen“, so der Erstautor Dr. Markus Hellenbrand vom Cambridge Department of Materials Science and Metallurgy. „Bei herkömmlichen Computern gibt es auf der einen Seite den Speicher und auf der anderen Seite die Verarbeitung, und die Daten werden zwischen beiden hin- und hergeschoben, was sowohl Energie als auch Zeit kostet.“
Prototyp ermöglicht mehr als zwei Zustände
Eine mögliche Lösung für das Problem des ineffizienten Computerspeichers ist eine neue Art von Technologie, die als resistiver Schaltspeicher bekannt ist. Herkömmliche Speichergeräte können zwei Zustände annehmen: eins oder null. Ein funktionierender resistiv schaltender Speicher hingegen wäre in der Lage, einen kontinuierlichen Bereich von Zuständen einzunehmen - Computer-Speichergeräte, die auf diesem Prinzip basieren, wären in der Lage, eine weitaus höhere Dichte und Geschwindigkeit zu erreichen.
„Ein typischer USB-Stick, der auf einem kontinuierlichen Bereich basiert, könnte zum Beispiel zehn- bis 100-mal mehr Informationen speichern“, so Hellenbrand.
Hellenbrand und seine Kollegen entwickelten einen Prototyp auf der Grundlage von Hafniumoxid, einem isolierenden Material, das bereits in der Halbleiterindustrie verwendet wird. Das Problem bei der Verwendung dieses Materials für resistiv schaltende Speicheranwendungen ist das so genannte Uniformitätsproblem. Auf atomarer Ebene hat Hafniumoxid keine Struktur, wobei die Hafnium- und Sauerstoffatome zufällig gemischt sind, was die Verwendung für Speicheranwendungen erschwert.
Die Forscher fanden jedoch heraus, dass sich durch die Zugabe von Barium zu dünnen Filmen aus Hafniumoxid einige ungewöhnliche Strukturen senkrecht zur Hafniumoxidebene in dem Verbundwerkstoff zu bilden begannen.
Diese vertikalen bariumreichen „Brücken“ sind stark strukturiert und lassen Elektronen hindurch, während das umgebende Hafniumoxid unstrukturiert bleibt. An der Stelle, an der diese Brücken auf die Kontakte des Bauelements treffen, wurde eine Energiebarriere geschaffen, die von den Elektronen überwunden werden kann. Die Forscher waren in der Lage, die Höhe dieser Barriere zu steuern, was wiederum den elektrischen Widerstand des Verbundmaterials verändert.
„Dies ermöglicht mehrere Zustände im Material, im Gegensatz zu konventionellen Speichern, die nur zwei Zustände kennen“, sagt Hellenbrand.
Im Gegensatz zu anderen Verbundwerkstoffen, die teure Hochtemperatur-Herstellungsverfahren erfordern, bauen sich diese Hafniumoxid-Verbundwerkstoffe bei niedrigen Temperaturen selbst auf. Das Kompositmaterial zeigte ein hohes Maß an Leistung und Gleichmäßigkeit, was es für Speicheranwendungen der nächsten Generation sehr vielversprechend macht.
Ein Patent auf die Technologie wurde von Cambridge Enterprise, dem Kommerzialisierungszweig der Universität, angemeldet.
Informationen am selben Ort speichern und verarbeiten
„Das wirklich Aufregende an diesen Materialien ist, dass sie wie eine Synapse im Gehirn funktionieren können: Sie können Informationen am selben Ort speichern und verarbeiten, wie unser Gehirn es kann, was sie sehr vielversprechend für die schnell wachsenden Bereiche der KI und des maschinellen Lernens macht“, so Hellenbrand.
Die Forscher arbeiten nun mit der Industrie zusammen, um größere Machbarkeitsstudien mit den Materialien durchzuführen, um besser zu verstehen, wie sich die Hochleistungsstrukturen bilden. Da Hafniumoxid ein Material ist, das bereits in der Halbleiterindustrie verwendet wird, wäre es laut den Forschern nicht schwierig, es in bestehende Fertigungsprozesse zu integrieren.
