Comprendere il cambiamento della resistenza nei semiconduttori amorfi
I microprocessori di memoria in dispositivi comuni quali computer, smartphone e chiavette USB solitamente salvano un bit di informazione digitale in ciascuna delle minuscole celle di memoria del microprocessore. Per fare questo, un bit, che può avere un valore binario di 0 o 1, viene memorizzato come una tensione all’interno di un condensatore. Ma se si potessero memorizzare molti bit in ogni cella, i microprocessori di memoria potrebbero contenere moltissimi dati in più. Due bit per cella farebbero per esempio raddoppiare la capacità di memoria, mentre tre bit la farebbero triplicare, e così via. Una classe di sostanze chiamate materiali a cambiamento di fase (PCM) potrebbe mettere in campo questa memoria multibit ma, poiché le loro proprietà elettriche non sono comprese a sufficienza, il progetto DIASPORA intendeva provare a comprenderle meglio. Materiali a cambiamento di fase come la lega Germanio Antimonio Tellurio (GST) possono esistere in due fasi molecolari: una fase ordinata a struttura cristallina, e una disordinata amorfa. Facendo passare differenti correnti elettriche attraverso una minuscola massa di GST infilata tra due elettrodi si riscalda il materiale e lo si fa passare in modo reversibile da una fase all’altra. La reale ricompensa: memorie multibit Ma la massa GST non deve per forza essere completamente in una fase o nell’altra: essa può essere un poco di entrambe. La proporzione tra materiale amorfo e cristallino nella cella di memoria può essere modificata applicando differenti correnti riscaldanti - e ogni miscela delle due fasi possiede la propria resistenza caratteristica. “La capacità di impostare differenti valori della resistenza consentirebbe di memorizzare più di un bit di informazioni in un singolo dispositivo con materiale a cambiamento di fase,” afferma Abu Sebastian, coordinatore del progetto DIASPORA, presso IBM Research a Zurigo, in Svizzera. Con quattro valori della resistenza, per esempio, la cella potrebbe rappresentare i quattro stati logici che una memoria a due bit sarebbe in grado di memorizzare: 00, 01, 10 e 11. E con otto valori della resistenza, essa potrebbe rappresentare tre bit, e con 16 valori della resistenza, quattro bit. Quindi essa potrebbe essere un potente moltiplicatore della capacità di memorizzazione. I valori instabili rovinano la festa Ma anche se i PCM sono molto promettenti, c’è un problema: la resistenza della lega GST nella sua fase amorfa tende a crescere con il tempo, e questo potrebbe rendere inaffidabile una memoria multibit a cambiamento di fase. “Quindi il nostro obiettivo in DIASPORA era quello di ottenere una comprensione più profonda della fisica che sta alla base del cambiamento nella resistenza,” dice Sebastian, in modo che possa essere eliminato nei futuri dispositivi multibit. Per comprendere il cambiamento, un team guidato da Sebastian e Martin Salinga, a capo del progetto DIASPORA alla RWTH Aachen, in Germania, ha intrapreso esperimenti elettrici, spettroscopici e ottici su dispositivi PCM nanostrutturati a temperature variabili per studiare come cambia la resistenza della GST. Essi hanno anche studiato come i difetti nella struttura molecolare del materiale aggravano notevolmente il cambiamento della resistenza. In seguito hanno usato i loro dati sperimentali per creare delle simulazioni al computer che hanno portato alla sintesi della descrizione più accurata dal punto di vista quantitativo del cambiamento della resistenza nei dispositivi PCM finora ottenuta. Il modello pionieristico dimostra come la causa ultima del cambiamento della resistenza sia lo spontaneo “rilassamento” strutturale del materiale amorfo. “Lo stato amorfo nel tempo di evolve verso uno stato vetroso ideale, maggiormente favorevole dal punto di vista energetico,” afferma Sebastian. Cosa riserva il futuro per i PCM? Le scoperte di DIASPORA, e il suo rivoluzionario modello al computer, rappresentano un significativo passo in avanti che aiuta i ricercatori a creare affidabili memorie multibit PCM. “La capacità di memorizzare 3 o più bit in un singolo dispositivo PCM rappresenterà una svolta in termini di capacità di memorizzazione e di efficacia riguardante il costo,” prevede Sebastian. “Potrebbe anche rendere possibili applicazioni che vanno ben al di là della memoria, come ad esempio l’informatica ispirata al cervello, dove dispositivi PCM possono fungere da elementi neuronali e sinaptici in quello che è conosciuto come un sistema di calcolo neuromorfico.” Nella ricerca futura, Sebastian spera di sviluppare ulteriormente DIASPORA per esplorare la progettazione di nuove architetture per dispositivi a cambiamento di fase che mitigano il cambiamento della resistenza - e per calcolare anche quanto piccolo un componente del materiale a cambiamento di fase confinato può arrivare ad essere pur continuando a funzionare come dispositivo di memoria.
Parole chiave
DIASPORA, materiali a cambiamento di fase, memoria non volatile, memoria multilivello
