Resistive switching telt voorbij de 0 en 1

Geschreven door

Moises van der Vlis

Gecontroleerd door

Geoff

Bijgewerkt op

2 juli 2023

[addtoany] ×

Een nieuw type informatieopslag, resistive switching, is in staat om non binaire informatie op te slaan. Dat is dringend nodig, want computers en internet gebruiken steeds meer stroom.

Computers straks 30% elektriciteitsverbruik?

Volgens bepaalde pessimistische schattingen zullen binnen enkele jaren kunstmatige intelligentie, internetgebruik, algoritmes en andere door data aangedreven technologieën meer dan 30% van alle elektriciteit wereldwijd verbruiken. Dat is natuurlijk een enorme hap uit ons elektriciteitsverbruik, waardoor het ook uit milieu oogpunt erg belangrijk is om zuiniger om te kunnen springen met de elektriciteit die voor berekeningen nodig is.

Resistive switching als energiebesparing

Een belangrijk deel van deze elektriciteit wordt gebruikt door dynamisch geheugen. Om een bit, een 0 of een 1, te onthouden moet het geheugen continu onder stroom staan. Ook het uitlezen van het geheugen kost weer stroom. als we op de plek van één bit, meerdere bits konden opslaan, en dit geheugen ook zijn inhoud zonder stroom zou kunnen vasthouden, zouden we veel energie kunnen besparen. En precies dat is wat een groepje onderzoekers van de universiteit van Cambridge voor elkaar lijkt te hebben gekregen, door middel van resistive switching.

Hoe werkt resistive switching?

In het nieuwe type geheugen, dat gebaseerd is op resistive switching, kunnen niet alleen nullen en enen, maar ook een hele reeks andere waarden worden opgeslagen. Je kan de elektrische weerstand van een materiaal met resistive switching groter en kleiner maken door een elektrische stroom. Het materiaal “onthoudt” deze nieuwe waarde voor vele jaren. Er is daarvoor geen lading of spanning nodig.

Dat betekent dat je kan beschikken over een veel sneller en ook veel compacter geheugen, waardoor je ook een veel sneller geheugen hebt. En dat scheelt behoorlijk.

Met deze nieuwe resistive switching technologie kan je bijvoorbeeld 10-100 keer zoveel informatie opslaan op een USB-stick. Nu zijn er al USB-stick’s te kopen van een terabyte. Dat zou dan tientallen terabyte worden, volgens sommige optimistische schattingen zoals die van Kurzweil, de informatie-inhoud van het menselijke brein.

Onverwachte ontdekking

In dit onderzoek maakten de onderzoekers gebruik van hafniumoxide (hafnium is een vrij zeldzaam, duur metaal) met een beetje (7%) barium (minder zeldzaam, op magnesium en kalium lijkend metaal).

Het bariumrijke materiaal bleek een soort bruggen te vormen tussen de lagen hafniumoxide. Hafniumoxide is een materiaal met op atomair niveau, een nogal chaotische structuur. De verticale bariumrijke bruggen die zich tussen de laagjes hafniumoxide vormden, bleken juist een duidelijke structuur te hebben met een energiebarrière. De hoogte van deze energiebarrière konden de onderzoekers in verschillende trappen instellen, en de brug onthield deze hoogte ook.

Het principe achter resistive switching aan het werk, dus. In feite is deze verstelbare weerstand een elementaire bouwsteen van een resistive switching geheugen. Uiteraard vroegen de onderzoekers meteen patent aan op hun vondst. In hun vervolgonderzoek zijn de onderzoekers nu actief op zoek naar een manier, om de onverwachte bruggen voorspelbaar te kunnen produceren. Daarna kan dat in een fabriek. En wie weet lopen we over een paar jaar misschien allemaal wel met een supercompact hafniumgeheugen aan onze sleutelbos met duizenden uren film, of een backup van ons brein, als Kurzweil gelijk heeft.

Hafnium schaars en duur

De onderzoeksgroep onder leiding van vaste-stoffysicus Markus Hellenbrand doet vooral onderzoek naar hafniumoxide. Hafnium is een vrij zeldzaam metaal. Het is enkele malen zo duur als zilver en wordt veel gebruikt in de halfgeleiderindustrie. Goedkoop zal technologie op basis van hafnium dus niet worden. Maar mogelijk is de technologie ook met andere, minder zeldzame chemische elementen te gebruiken.

Bronvermelding

Markus Hellenbrand et al. ‘Thin-film design of amorphous hafnium oxide nanocomposites enabling strong interfacial resistive switching uniformity.’ Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg1946