El nuevo tipo de memoria de la computadora podría reducir en gran medida el uso de energía y mejorar el rendimiento

Los investigadores, dirigidos por la Universidad de Cambridge, desarrollaron un dispositivo que procesa datos de manera similar a las sinapsis del cerebro humano. Los dispositivos se basan en óxido de hafnio, un material que ya se usa en la industria de los semiconductores, y diminutas barreras autoensambladas, que se pueden subir o bajar para permitir el paso de electrones.

Este método de cambiar la resistencia eléctrica en los dispositivos de memoria de la computadora y permitir que el procesamiento de la información y la memoria existan en el mismo lugar, podría conducir al desarrollo de dispositivos de memoria de la computadora con mucha mayor densidad, mayor rendimiento y menor consumo de energía. Los resultados se informan en la revista Science Advances.

Nuestro mundo hambriento de datos ha llevado a un aumento de la demanda de energía, lo que hace que sea cada vez más difícil reducir las emisiones de carbono. Se espera que en los próximos años, la inteligencia artificial, el uso de Internet, los algoritmos y otras tecnologías basadas en datos consuman más del 30 % de la electricidad mundial.

«En gran medida, esta explosión en la demanda de energía se debe a las deficiencias de las tecnologías de memoria informática actuales», dijo el primer autor, el Dr. Markus Hellenbrand, del Departamento de Ciencia de Materiales y Metalurgia de Cambridge. “En la informática convencional, hay memoria en un lado y procesamiento en el otro, y los datos se mezclan entre los dos, lo que requiere energía y tiempo”.

Una posible solución al problema de la memoria informática ineficiente es un nuevo tipo de tecnología conocida como memoria de conmutación resistiva. Los dispositivos de memoria convencionales son capaces de dos estados: uno o cero. Sin embargo, un dispositivo de memoria de conmutación resistiva en funcionamiento sería capaz de una gama continua de estados: los dispositivos de memoria de computadora basados ​​en este principio serían capaces de una densidad y velocidad mucho mayores.

«Una memoria USB típica basada en el rango continuo podría contener entre diez y 100 veces más información, por ejemplo», dijo Hellenbrand.

Hellenbrand y sus colegas desarrollaron un dispositivo prototipo basado en óxido de hafnio, un material aislante que ya se usa en la industria de los semiconductores. El problema con el uso de este material para aplicaciones de memoria de conmutación resistiva se conoce como problema de uniformidad. A nivel atómico, el óxido de hafnio no tiene estructura, con los átomos de hafnio y oxígeno mezclados aleatoriamente, lo que dificulta su uso para aplicaciones de memoria.

Sin embargo, los investigadores descubrieron que al agregar bario a películas delgadas de óxido de hafnio, comenzaron a formarse algunas estructuras inusuales, perpendiculares al plano del óxido de hafnio, en el material compuesto.

Estos ‘puentes’ verticales ricos en bario están altamente estructurados y permiten el paso de electrones, mientras que el óxido de hafnio circundante permanece sin estructura. En el punto donde estos puentes se encuentran con los contactos del dispositivo, se creó una barrera de energía que los electrones pueden cruzar. Los investigadores pudieron controlar la altura de esta barrera, que a su vez cambia la resistencia eléctrica del material compuesto.

“Esto permite que existan múltiples estados en el material, a diferencia de la memoria convencional que tiene solo dos estados”, dijo Hellenbrand.

A diferencia de otros materiales compuestos, que requieren costosos métodos de fabricación a alta temperatura, estos compuestos de óxido de hafnio se autoensamblan a bajas temperaturas. El material compuesto mostró altos niveles de rendimiento y uniformidad, lo que los hace muy prometedores para las aplicaciones de memoria de próxima generación.

Cambridge Enterprise, el brazo de comercialización de la Universidad, ha presentado una patente sobre la tecnología.

“Lo que es realmente emocionante acerca de estos materiales es que pueden funcionar como una sinapsis en el cerebro: pueden almacenar y procesar información en el mismo lugar, como lo hacen nuestros cerebros, lo que los hace muy prometedores para los campos de inteligencia artificial y aprendizaje automático en rápido crecimiento”, dijo. Helenbrand.

Los investigadores ahora están trabajando con la industria para llevar a cabo estudios de viabilidad más amplios sobre los materiales, a fin de comprender más claramente cómo se forman las estructuras de alto rendimiento. Dado que el óxido de hafnio es un material que ya se usa en la industria de los semiconductores, los investigadores dicen que no sería difícil integrarlo en los procesos de fabricación existentes.

La investigación fue apoyada en parte por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC), parte de Investigación e Innovación del Reino Unido (UKRI).

Referencia:
Markus Hellenbrand et al. ‘Diseño de película delgada de nanocompuestos de óxido de hafnio amorfo que permite una fuerte uniformidad de conmutación resistiva interfacial’. Avances científicos (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg1946