Synapse

Forscher der University of Cambridge, der Linköping University, der Purdue University, des University College London, der University at Buffalo und des Los Alamos National Laboratory haben einen neuen Ansatz für Computerspeicher entwickelt, der auf Hafniumoxid basiert – und in der Lage ist, beide Leistungen dramatisch zu verbessern und Effizienz.

„Zu einem großen Teil ist diese Explosion des Energiebedarfs auf die Unzulänglichkeiten aktueller Computerspeichertechnologien zurückzuführen“, behauptet der Erstautor Markus Hellenbrand, Ph.D., der voraussagt, dass Computer, die das Internet und andere Kommunikationsnetzwerke steuern, fast ein Drittel des Energiebedarfs verbrauchen werden Energieversorgung der Welt im nächsten Jahrzehnt. „Bei der herkömmlichen Datenverarbeitung gibt es auf der einen Seite den Speicher und auf der anderen die Verarbeitung, und die Daten werden zwischen beiden hin- und hergeschoben, was sowohl Energie als auch Zeit kostet.“

Um dieses Problem zu lösen, müssen die Forscher die Funktionsweise des Speichers überdenken – und um einen möglichen Ansatz hervorzuheben, machten sie sich daran, einen Prototyp eines Speichergeräts zu bauen, das auf mit Barium dotiertem Hafniumoxid basiert. Im Gegensatz zum herkömmlichen Speicher, in dem Daten als klar abgegrenzte Nullen und Einsen dargestellt werden, handelt es sich bei dem Prototyp des Teams um eine Form des Widerstandsspeichers, der Informationen als kontinuierlichen Wertebereich speichert – was die Dichte, Geschwindigkeit und Effizienz erhöht. „Ein typischer USB-Stick mit kontinuierlicher Reichweite“, behauptet Hellenbrand, „könnte beispielsweise zehn- bis hundertmal mehr Informationen speichern.“

Das Gerät funktioniert dank der Schaffung vertikaler Brücken, die von der Hafniumoxidebene abstehen und eine hochstrukturierte Autobahn schaffen, durch die Elektronen fließen können – während das nicht überbrückte Hafniumoxid in einem unstrukturierten Zustand bleibt und den Elektronenfluss blockiert. Durch die Steuerung der Höhe der Energiebarriere, bei der die Brücken auf die Gerätekontakte treffen, ist der Prototyp der Forscher in der Lage, kontinuierliche Werte zu speichern.

„Das wirklich Spannende an diesen Materialien ist, dass sie wie eine Synapse im Gehirn funktionieren können“, fügt Hellenbrand hinzu. „Sie können Informationen wie unser Gehirn am selben Ort speichern und verarbeiten, was sie für die schnell wachsenden Bereiche KI und maschinelles Lernen äußerst vielversprechend macht.“

Die Arbeit des Teams wurde in der Zeitschrift Science Advances unter Open-Access-Bedingungen veröffentlicht; Die Kommerzialisierungsabteilung der Universität Cambridge hat ein Patent auf die Technologie angemeldet.