La nouvelle technologie peut stocker 10 à 100 fois plus d’informations sur un seul appareil et les traiter en un seul endroit. La nouvelle mémoire traite les données de la même manière que les synapses du cerveau humain. Une caractéristique de la mémoire est la commutation de résistance, qui est capable d'une gamme continue d'états, contrairement à la mémoire traditionnelle, qui n'a que deux états : un ou zéro.
Dispositif prototype à base d'oxyde de hafnium, un matériau déjà utilisé dans l'industrie des semi-conducteurs. La technologie a été brevetée par Cambridge Business Enterprise.
Une solution potentielle au problème de la mémoire informatique inefficace réside dans un nouveau type de technologie appelé mémoire à commutation résistive. Les dispositifs de mémoire conventionnels sont capables de deux états : un ou zéro. Cependant, un dispositif de mémoire à commutation résistive fonctionnel serait capable d'une gamme continue d'états – les dispositifs de mémoire informatique basés sur ce principe seraient capables d'une densité et d'une vitesse bien plus grandes.
"Une clé USB typique basée sur une portée continue serait par exemple capable de contenir entre dix et 100 fois plus d'informations", a déclaré Hellenbrand.
Hellenbrand et ses collègues ont développé un prototype de dispositif basé sur l'oxyde de hafnium, un matériau isolant déjà utilisé dans l'industrie des semi-conducteurs. Le problème lié à l’utilisation de ce matériau pour les applications de mémoire à commutation résistive est connu sous le nom de problème d’uniformité. Au niveau atomique, l'oxyde d'hafnium n'a pas de structure, les atomes d'hafnium et d'oxygène étant mélangés de manière aléatoire, ce qui rend son utilisation difficile pour les applications de mémoire.
Cependant, les chercheurs ont découvert qu'en ajoutant du baryum à de minces films d'oxyde de hafnium, des structures inhabituelles commençaient à se former, perpendiculairement au plan de l'oxyde de hafnium, dans le matériau composite.
Ces « ponts » verticaux riches en baryum sont très structurés et laissent passer les électrons, tandis que l’oxyde de hafnium environnant reste non structuré. Au point où ces ponts rencontrent les contacts de l’appareil, une barrière énergétique est créée que les électrons peuvent traverser. Les chercheurs ont pu contrôler la hauteur de cette barrière, ce qui modifie la résistance électrique du matériau composite.
"Cela permet à plusieurs états d'exister dans le matériau, contrairement à la mémoire conventionnelle qui n'a que deux états", a déclaré Hellenbrand.
Contrairement à d’autres matériaux composites, qui nécessitent des méthodes de fabrication coûteuses à haute température, ces composites d’oxyde de hafnium s’auto-assemblent à basse température. Le matériau composite présente des niveaux élevés de performances et d'uniformité, ce qui le rend très prometteur pour les applications de mémoire de nouvelle génération.
Un brevet sur cette technologie a été déposé par Cambridge Enterprise, la branche de commercialisation de l’université.
"Ce qui est vraiment passionnant avec ces matériaux, c'est qu'ils peuvent fonctionner comme une synapse dans le cerveau : ils peuvent stocker et traiter des informations au même endroit, comme notre cerveau, ce qui les rend très prometteurs pour les domaines en croissance rapide de l'IA et de l'apprentissage automatique", a déclaré Hellenbrand.
Les chercheurs travaillent désormais avec l'industrie pour mener des études de faisabilité plus vastes sur les matériaux, afin de mieux comprendre comment se forment les structures hautes performances. L’oxyde de hafnium étant un matériau déjà utilisé dans l’industrie des semi-conducteurs, les chercheurs affirment qu’il ne serait pas difficile de l’intégrer dans les processus de fabrication existants.
La recherche a été financée en partie par la National Science Foundation des États-Unis et le Conseil de recherche en ingénierie et en sciences physiques (EPSRC), qui fait partie du UK Research and Innovation (UKRI).