CBRAM (memoria ad accesso casuale a bridging conduttivo) potrebbe svolgere un ruolo fondamentale nella memoria in futuro memorizzando i dati in una memoria non volatile (cioè, quasi permanente). Per ridurre le dimensioni e il consumo energetico di tali componenti, è essenziale comprendere con precisione il loro comportamento a livello atomico.

Mathieu Luisier, professore associato all'ETH di Zurigo, e il suo team ha studiato questo tipo di memoria, che consiste di due elettrodi metallici separati da un isolante. I ricercatori hanno sviluppato un modello al computer di una CBRAM che consiste di circa 4500 atomi e obbedisce alle leggi della meccanica quantistica che governano il mondo microscopico. Questa simulazione su scala atomica consente di descrivere con precisione l'intensità della corrente generata da un nanofilamento metallico mentre si forma e si dissolve tra gli elettrodi.

Dieci atomi di spessore

"Questo è un enorme passo avanti, "dice Mathieu Luisier, professore del FNS al Politecnico federale di Zurigo dal 2011 al 2016. «Finora, i modelli esistenti potevano gestire solo un centinaio di atomi." Il nuovo modello riproduce accuratamente la corrente elettrica e l'energia dissipata dalla cella, a sua volta consentendo il calcolo della sua temperatura. I ricercatori sono in grado di osservare l'effetto delle variazioni dello spessore dell'isolante e del diametro del filamento metallico. Le scoperte, che sono stati presentati alla conferenza IEDM di San Francisco nel dicembre 2017, mostrano che il consumo di energia locale e il calore si riducono se i due elettrodi vengono avvicinati. Ma solo fino a un certo punto:gli elettrodi troppo vicini sono soggetti all'effetto tunnel quantistico, e la corrente tra di loro non è più controllabile.

La ricerca mostra che in una geometria CBRAM ottimale, l'isolante ha uno spessore compreso tra 1,5 e 2 nanometri (circa 10 atomi). La fabbricazione è ancora una sfida, tuttavia:le macchine in grado di raggiungere tali dimensioni utilizzano una tecnica di litografia a sonda termica attualmente poco adatta alla produzione in serie. "Oggi, un tipico canale a transistor di tipo CMOS misura circa 20 nanometri, o dieci volte più spesso degli isolanti CBRAM che abbiamo studiato, " dice Luisier. Di conseguenza, La legge di Moore, che prevede che le dimensioni dei componenti elettronici si dimezzeranno ogni 18-24 mesi, potrebbe andare a sbattere contro un muro entro un decennio.

Per realizzare il loro modello da 4500 atomi, i ricercatori hanno beneficiato dell'accesso al terzo computer più potente al mondo – Piz Daint – che si trova presso il Centro nazionale svizzero di supercalcolo (CSCS) a Lugano e può eseguire fino a 20 milioni di miliardi di operazioni al secondo. Questo tipo di studio richiede 230 schede grafiche all'avanguardia; Piz Daint ne ha più di 4000. Ogni scheda ha la sua CPU. "Anche con questa potenza di calcolo, ci vogliono una decina di ore per simulare un ricordo e determinarne le caratteristiche elettriche, "dice Luisier.