Die neue Technologie kann 10 bis 100 Mal mehr Informationen auf einem Gerät speichern und an einem Ort verarbeiten. Der neue Speicher verarbeitet Daten auf ähnliche Weise wie die Synapsen im menschlichen Gehirn. Eine Funktion des Speichers ist die Widerstandsschaltung, die einen kontinuierlichen Zustandsbereich ermöglicht, im Gegensatz zum herkömmlichen Speicher, der nur zwei Zustände hat: Eins oder Null.
Prototyp-Gerät auf Basis von Hafniumoxid, einem Material, das bereits in der Halbleiterindustrie verwendet wird. Die Technologie wurde von der Cambridge Business Enterprise patentiert.
Eine mögliche Lösung für das Problem des ineffizienten Computerspeichers ist eine neue Technologie namens resistiver Schaltspeicher. Herkömmliche Speichergeräte können zwei Zustände annehmen: Eins oder Null. Ein funktionierender resistiver Schaltspeicher hingegen könnte einen kontinuierlichen Zustandsbereich annehmen – Computerspeichergeräte, die auf diesem Prinzip basieren, könnten eine weitaus höhere Dichte und Geschwindigkeit aufweisen.
„Ein typischer USB-Stick mit kontinuierlicher Reichweite könnte beispielsweise zwischen zehn- und hundertmal mehr Informationen speichern“, sagte Hellenbrand.
Hellenbrand und seine Kollegen entwickelten einen Prototypen auf Basis von Hafniumoxid, einem Isoliermaterial, das bereits in der Halbleiterindustrie verwendet wird. Das Problem bei der Verwendung dieses Materials für resistive Schaltspeicheranwendungen ist das sogenannte Einheitlichkeitsproblem. Auf atomarer Ebene hat Hafniumoxid keine Struktur, die Hafnium- und Sauerstoffatome sind zufällig gemischt, was die Verwendung für Speicheranwendungen schwierig macht.
Die Forscher stellten jedoch fest, dass sich durch die Zugabe von Barium zu dünnen Filmen aus Hafniumoxid einige ungewöhnliche Strukturen senkrecht zur Ebene des Hafniumoxids im Verbundmaterial zu bilden begannen.
Diese vertikalen, bariumreichen „Brücken“ sind hochstrukturiert und lassen Elektronen passieren, während das umgebende Hafniumoxid unstrukturiert bleibt. An der Stelle, an der diese Brücken auf die Gerätekontakte treffen, entsteht eine Energiebarriere, die von Elektronen überquert werden kann. Die Forscher konnten die Höhe dieser Barriere steuern, was wiederum den elektrischen Widerstand des Verbundmaterials verändert.
„Dadurch können im Material mehrere Zustände existieren, im Gegensatz zu herkömmlichem Speicher, der nur zwei Zustände hat“, sagte Hellenbrand.
Im Gegensatz zu anderen Verbundwerkstoffen, deren Herstellung teure Hochtemperaturverfahren erfordert, ordnen sich diese Hafniumoxid-Verbundstoffe bei niedrigen Temperaturen selbst an. Das Verbundmaterial zeigte ein hohes Maß an Leistung und Gleichmäßigkeit, was es für Speicheranwendungen der nächsten Generation äußerst vielversprechend macht.
Cambridge Enterprise, der Vermarktungszweig der Universität, hat ein Patent auf die Technologie angemeldet.
„Das wirklich Spannende an diesen Materialien ist, dass sie wie eine Synapse im Gehirn funktionieren können: Sie können Informationen an derselben Stelle speichern und verarbeiten, wie es unser Gehirn kann, was sie für die schnell wachsenden Bereiche KI und maschinelles Lernen äußerst vielversprechend macht“, sagte Hellenbrand.
Die Forscher arbeiten derzeit mit der Industrie zusammen, um größere Machbarkeitsstudien an den Materialien durchzuführen, um besser zu verstehen, wie sich die Hochleistungsstrukturen bilden. Da Hafniumoxid ein Material ist, das bereits in der Halbleiterindustrie verwendet wird, wäre es laut den Forschern nicht schwierig, es in bestehende Herstellungsprozesse zu integrieren.
Die Forschung wurde zum Teil von der US-amerikanischen National Science Foundation und dem Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), einem Teil von UK Research and Innovation (UKRI), unterstützt.