Questo è uno schema di quattro bit in vari stati on/off. Il bit è costituito da materiale a cambiamento di fase con una dimensione di circa 10 nanometri con elettrodi di nanotubi di carbonio. La corrente di programmazione è 100 volte inferiore all'attuale memoria allo stato dell'arte. Credito:Eric Pop, Università dell'Illinois
Tecnofili che hanno sempre sognato dispositivi mobili che funzionano più a lungo con un accendino, batterie più sottili potrebbero presto scoprire che il loro desiderio è stato esaudito.
Gli ingegneri dell'Università dell'Illinois hanno sviluppato una forma di memoria digitale a bassissima potenza che è più veloce e utilizza 100 volte meno energia rispetto a una memoria disponibile simile. La tecnologia potrebbe dare ai futuri dispositivi portatili una durata della batteria molto più lunga tra una ricarica e l'altra.
Guidato dal professore di ingegneria elettrica e informatica Eric Pop, il team pubblicherà i suoi risultati in un prossimo numero di Scienza magazine e online dal 10 marzo Scienza espressa.
"Penso che chiunque abbia a che fare con un sacco di caricabatterie e colleghi ogni notte possa pensare di volere un telefono cellulare o un laptop le cui batterie possano durare per settimane o mesi, "ha detto papà, che è anche affiliato al Beckman Institute for Advanced Science and Technology dell'Illinois.
La memoria flash utilizzata oggi nei dispositivi mobili memorizza i bit come carica, che richiede tensioni di programmazione elevate ed è relativamente lento. L'industria ha esplorato più velocemente, ma in alternativa materiali a cambiamento di fase (PCM) di potenza superiore. Nella memoria PCM viene memorizzato un bit nella resistenza del materiale, che è commutabile.
Il gruppo di Pop ha abbassato la potenza per bit a 100 volte inferiore alla memoria PCM esistente concentrandosi su un semplice, ma fattore chiave:le dimensioni.
Piuttosto che i fili metallici standard nell'industria, il gruppo ha utilizzato nanotubi di carbonio, minuscoli tubi di solo pochi nanometri di diametro – 10, 000 volte più piccolo di un capello umano.
"Il consumo di energia è essenzialmente ridimensionato con il volume del bit di memoria, " ha detto lo studente laureato Feng Xiong, il primo autore del saggio. "Utilizzando contatti su nanoscala, siamo in grado di ottenere un consumo energetico molto inferiore."
Per creare un po', i ricercatori posizionano una piccola quantità di PCM in uno spazio su nanoscala formato nel mezzo di un nanotubo di carbonio. Possono accendere e spegnere il bit facendo passare piccole correnti attraverso il nanotubo.
"I nanotubi di carbonio sono i più piccoli conduttori elettronici conosciuti, " Pop ha detto. "Sono migliori di qualsiasi metallo nel fornire una piccola scossa di elettricità per eliminare il bit PCM".
I nanotubi vantano anche una straordinaria stabilità, in quanto non sono suscettibili al degrado che può affliggere i fili metallici. Inoltre, il PCM che funziona come il bit effettivo è immune alla cancellazione accidentale da uno scanner o un magnete di passaggio.
I bit PCM a bassa potenza potrebbero essere utilizzati nei dispositivi esistenti con un significativo aumento della durata della batteria. Proprio adesso, uno smartphone consuma circa un watt di energia e un laptop funziona con più di 25 watt. Parte di quell'energia va al display, ma una percentuale crescente è dedicata alla memoria.
"Ogni volta che esegui un'app, o memorizzare MP3, o streaming di video, sta scaricando la batteria, " disse Alberto Liao, uno studente laureato e co-autore. "La memoria e il processore stanno lavorando sodo per recuperare i dati. Poiché le persone usano i loro telefoni per effettuare meno chiamate e li usano per calcolare di più, è importante migliorare le operazioni di archiviazione e recupero dei dati."
Pop crede che, insieme a miglioramenti nella tecnologia di visualizzazione, la memoria PCM a nanotubi potrebbe aumentare l'efficienza energetica di un iPhone in modo che possa funzionare più a lungo con una batteria più piccola, o addirittura al punto da poter correre semplicemente raccogliendo la propria termica, energia meccanica o solare – nessuna batteria richiesta.
Tre bit di memoria paralleli con elettrodi a nanotubi di carbonio (immagine a falsi colori basata sul profilo topografico della microscopia a forza atomica). Il bit centrale è nello stato "off", the other two are “on”. The silicon dioxide substrate is shown in blue. Credit:Eric Pop, Università dell'Illinois
And device junkies will not be the only beneficiaries.
"We're not just talking about lightening our pockets or purses, " Pop said. "This is also important for anything that has to operate on a battery, such as satellites, telecommunications equipment in remote locations, or any number of scientific and military applications."
Inoltre, ultra-low-power memory could cut the energy consumption and thus the expense of data storage or supercomputing centers by a large percentage. The low-power memory could also enable three-dimensional integration, a stacking of chips that has eluded researchers because of fabrication and heat problems.
The team has made and tested a few hundred bits so far, and they want to scale up production to create arrays of memory bits that operate together. They also hope to achieve greater data density through clever programming such that each physical PCM bit can program two data bits, called multibit memory.
The team is continuing to work to reduce power consumption and increase energy efficiency even beyond the groundbreaking savings they've already demonstrated.
"Even though we've taken one technology and shown that it can be improved by a factor of 100, we have not yet reached what is physically possible. We have not even tested the limits yet. I think we could lower power by at least another factor of 10, " Pop said.
