Учёные нашли путь к созданию PCM-памяти, которая потребляет в миллион раз меньше энергии

Международная группа учёных обнаружила удивительный эффект в таком полупроводнике, как селенид индия (In₂Se₃). Под действием тока материал переходил из кристаллической формы в аморфную, затрачивая на это в миллион раз меньше энергии, чем в случае обычной импульсной записи памяти с фазовым переходом (полупроводниковой или на перезаписываемых оптических дисках типа DVD). Открытие обещает обернуться созданием невероятно эффективной компьютерной памяти.

Лавинообразный процесс аморфизации в селениде индия в представлении художника. Источник изображения: Akanksha Jain

Память с фазовым переходом, будь то полупроводниковая или в виде оптических дисков, остаётся достаточно энергоёмкой в моменты записи и стирания, хотя хранить данные она может без потребления энергии. Запись и стирание происходят импульсами, которые буквально плавят материал в ячейке или в слое диска — нагрев в локальной области может достигать 800 °C. Быстрое остывание расплава не позволяет ему восстановить кристаллическую структуру. Аморфное состояние ведёт к высокому сопротивлению току, а кристаллическое — к низкому, что определяет состояние ячейки 0 или 1. С оптическими накопителями всё работает по-другому, но принцип тот же.

Проводя опыты в Университете Пенсильвании (UPenn) с проволокой из селенида индия, учёные обнаружили, что материал полностью перешёл в аморфное состояние без воздействия импульсом. По проволоке пропускался небольшой ток, и в один момент он перестал проходить. Анализ показал, что материал приобрёл аморфную структуру. К изучению вопроса подключились учёные из Массачусетского технологического института (MIT), а на анализ образцы были отправлены в Индийский институт науки (IISc).

В IISc учёные разработали методологию наблюдения за процессом аморфизации селенида индия буквально по шагам в нанометровом масштабе и в более крупном масштабе. Оказалось, что вступают в работу два свойства селенида индия — пьезоэлектрика и сегнетоэлектрика. Небольшой ток создаёт домен аморфизации в материале, а возникающие напряжения в кристаллической решётке провоцируют что-то вроде эффекта землетрясения на соседних участках, и процесс приобретает лавинообразный характер. Процесс остановится только тогда, когда весь материал станет аморфным.

Сделанное открытие может привести к созданию невероятно энергоэффективной памяти с фазовым переходом (). По словам учёных, на аморфизацию ячейки памяти из селенида индия требуется одна миллионная от типичного потребления современной памяти PCM, что преобразит все системы хранения и вычислений.