I chip di memoria nei telefoni, laptop e altri dispositivi elettronici devono essere piccoli, veloce e assorbire la minor potenza possibile. Per anni, i chip di silicio hanno mantenuto questa promessa.

Ma per prolungare notevolmente la durata della batteria dei gadget mobili, e per creare data center che utilizzano molta meno energia, gli ingegneri stanno sviluppando chip di memoria basati su nuovi nanomateriali con capacità che il silicio non può eguagliare.

In tre recenti esperimenti, Gli ingegneri di Stanford dimostrano materiali e tecnologie post-silicio che memorizzano più dati per pollice quadrato e utilizzano una frazione dell'energia dei chip di memoria di oggi.

Il filo conduttore di tutti e tre gli esperimenti è il grafene, un materiale straordinario isolato una decina di anni fa ma che aveva, fino ad ora, relativamente poche applicazioni pratiche in elettronica.

Un parente purificato della mina di matita, il grafene si forma quando gli atomi di carbonio si uniscono in fogli dello spessore di un solo atomo. Il grafene sottile come un atomo è più forte dell'acciaio, conduttivo come il rame e ha proprietà termiche utili nell'elettronica su scala nanometrica.

"Il grafene è il protagonista di questa ricerca, "ha detto Eric Pop, professore associato di ingegneria elettrica e collaboratore di due dei tre progetti di memoria. "Con queste nuove tecnologie di archiviazione, sarebbe concepibile progettare uno smartphone in grado di memorizzare 10 volte più dati, utilizzando meno energia della batteria, rispetto alla memoria che usiamo oggi."

Il professor H.-S. Philip Wong e Pop hanno guidato un gruppo internazionale di collaboratori che descrivono tre tecnologie di memoria incentrate sul grafene in articoli separati su Nature Communications, Nano lettere e lettere di fisica applicata.

Mentre i consumatori potrebbero apprezzare l'applicazione mobile di queste nuove tecnologie, gli ingegneri pensano che i chip di memoria post-silicio possano anche trasformare le server farm che devono archiviare e fornire un accesso rapido alle grandi quantità di dati archiviati nel cloud.

"L'archiviazione dei dati è diventata un importante, grande consumatore di elettricità, e nuove tecnologie di memoria a stato solido come queste potrebbero anche trasformare il cloud computing, "Ha detto Wong.

Rifacimento della memoria

I chip di memoria memorizzano i dati come una stringa di uno e zero. Oggi la maggior parte dei chip di memoria è basata su silicio, e sono di due tipi fondamentali:volatili e non volatili. Memoria volatile, come la memoria ad accesso casuale (RAM), offre un'archiviazione rapida ma temporanea. Quando l'alimentazione si spegne, gli zeri e gli uno svaniscono.

Memoria non volatile, come la memoria flash nei telefoni cellulari, è lento ma stabile. Anche se la batteria si esaurisce, i dati rimangono.

Gli ingegneri guidati da Stanford mostrano come creare memoria con la velocità della RAM e la persistenza del flash utilizzando nuovi materiali e tecnologie che richiedono meno energia del silicio per memorizzare gli zero e gli uno.

In Natura Comunicazioni, Wong ha lavorato con il borsista post-dottorato Seunghyun Lee e il dottorando Joon Sohn su una tecnica nota come memoria resistiva ad accesso casuale, o RRAM in breve.

Nei chip RRAM, piccoli scossoni di elettricità commutano alcuni ossidi metallici tra stati resistivi e conduttivi. Quando gli ossidi metallici resistono al flusso di elettroni, che crea uno zero. Quando i materiali conducono elettroni, quello è uno. RRAM è veloce, come memoria di silicio volatile, ma come la memoria flash conserva i dati memorizzati quando l'alimentazione viene spenta.

Questo lavoro dimostra la possibilità di costruire RRAM non volatile archiviando in modo denso i dati senza consumare più energia.

Nuove fasi della memoria

In altri due documenti, pubblicato in Lettere di fisica applicata e Nano lettere , Pop e Wong hanno guidato team di ricerca che hanno utilizzato il grafene per fare progressi con un approccio di archiviazione diverso ma concettualmente simile chiamato memoria a cambiamento di fase.

Nella memoria a cambiamento di fase, una piccola scossa di elettricità provoca una lega di germanio, antimonio e tellurio per modificarne la struttura atomica. Una scossa modifica gli atomi in un normale, struttura cristallina che permette agli elettroni di fluire, annotato come digitale. Un secondo sobbalzo rende irregolare la struttura, o amorfo, creando uno zero. Ogni scossa commuta rapidamente il materiale a cambiamento di fase da uno a zero. Come RRAM, conserva i suoi dati memorizzati quando l'alimentazione viene spenta.

Nel documento Lettere di fisica applicata, Pop ha guidato un team che comprendeva ex studenti dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign e collaboratori delle Università di Modena e Bologna in Italia. Hanno usato nastri di grafene come elettrodi ultrasottili per intersecare le celle di memoria a cambiamento di fase, come spiedini che infilzano marshmallow. Questa configurazione ha anche sfruttato il bordo atomicamente sottile del grafene per spingere la corrente nel materiale, e cambia la sua fase, ancora una volta in modo estremamente efficiente dal punto di vista energetico.

Nel giornale Nano Letters, Pop e Wong hanno utilizzato le proprietà elettriche e termiche del grafene in un chip di memoria a cambiamento di fase. Però, in una svolta, qui hanno usato la superficie del foglio di grafene per contattare la lega a memoria a cambiamento di fase. In sostanza, il grafene ha impedito al calore di fuoriuscire dal materiale a cambiamento di fase, creando una cella di memoria più efficiente dal punto di vista energetico.

Questi studi dimostrano che il grafene è tutt'altro che una curiosità di laboratorio, Pop e Wong dicono. Il materiale elettrico unico, proprietà termiche e atomicamente sottili possono essere utilizzate per creare un'archiviazione dei dati più efficiente dal punto di vista energetico. Tali proprietà non esistono nel mondo del silicio, ma potrebbe potenzialmente trasformare il modo in cui archiviamo e accediamo ai nostri dati digitali in futuro.