Nuestros procesadores flexibles ahora pueden usar RAM plegable

12:11 10/09/2021 | Lượt xem

Fotografía de primer plano extremo de pinzas que sostienen un componente de computadora flexible.
Ampliar / Intente esto con su RAM.

AI Khan y A. Daus.

Hace unos meses, trajimos la noticia de una CPU plegable, llamada ARM de plástico, que se construyó con silicio amorfo sobre un sustrato flexible. Los casos de uso para algo como esto son dispositivos de energía extremadamente baja que pueden incrustarse en la ropa o colocarse en la superficie de objetos irregulares, lo que les permite tener una pequeña cantidad de computación autónoma. Pero para cumplir con los requisitos de bajo consumo de energía, un procesador minimalista no es suficiente: todos los componentes también deben consumir energía. Y eso no encaja bien con la tecnología RAM tradicional, que necesita energía para mantener el estado de la memoria.

Pero un grupo de Stanford ahora se encarga de eso. Los investigadores construyeron una forma de memoria de desplazamiento de fase flexible, que tiene una velocidad más cercana a la RAM normal que la memoria flash, pero no requiere energía para mantener su estado. Y aunque su trabajo inicialmente se centró en hacer algo que sea flexible para trabajar, los principios que descubrieron mientras trabajaban deberían aplicarse a la memoria de cambio de fase en general.

un cambio de fase

La gente ha creado formas flexibles de memoria antes, incluida la memoria RAM flash y ferroeléctrica, y la RAM resistiva se puede fabricar con materiales que también son plegables. Pero la memoria de desplazamiento de fase tiene una serie de ventajas. Funciona conectando dos electrodos a través de un material que puede formar estados tanto cristalinos como amorfos, dependiendo de la rapidez con que se enfríe después del calentamiento. Estos dos estados difieren en qué tan bien conducen la electricidad, lo que permite distinguirlos.

Los electrodos proporcionan formas convenientes de leer y escribir. Al poner altos niveles de corriente, puede calentar el material; apagar la corriente repentinamente permitirá que se enfríe a un estado amorfo, mientras que reducir lentamente la corriente permitirá que se forme un estado cristalino. Una vez hecho esto, se puede leer el estado pasando una corriente mucho más pequeña y leyendo la resistencia; Incluso es posible almacenar más de un bit por dispositivo, ajustando el calor para crear múltiples niveles de resistencia discretos. Fundamentalmente, no se requiere corriente para mantener los bits almacenados en uno de estos dispositivos, ya que la diferencia cristalina / amorfa es estable.

El problema es que restablecer el dispositivo requiere suficiente corriente para derretir parcialmente el material. Entonces, si bien el uso promedio de energía es bajo, es bastante alto en puntos críticos. Esto presenta un desafío para los dispositivos que pueden ser alimentados por un cable de carga recolectado de fuentes ambientales. Por lo tanto, hacer memoria de cambio de fase a partir de materiales flexibles no es suficiente. También debe hacer coincidir su rendimiento con casos de uso típicos para dispositivos flexibles.

Convenientemente, parte del proceso de flexibilización también brindó la solución para mejorar su desempeño.

haciéndolo flexible

Muchos componentes electrónicos flexibles están construidos sobre sustratos de polímero en lugar de materiales rígidos como el silicio. Además de ser flexibles, la mayoría de los polímeros son aislantes: no conducen muy bien la electricidad ni el calor. Y eso resultó ser fundamental para aumentar la eficiencia de la memoria de cambio de fase.

La esencia del nuevo dispositivo es que el hardware de cambio de fase está rodeado de materiales que no conducen bien el calor. Esto ayuda a retener el calor necesario para derretir parcialmente el dispositivo donde se necesita, lo que significa que no tiene que generar tanto calor en primer lugar. Y eso, a su vez, significa que necesita poner menos energía para reiniciar el dispositivo.

El dispositivo se fabricó perforando un orificio en óxido de aluminio. A continuación, se llenó el orificio con capas alternas de telururo de estaño y telururo de estaño / galio, que actuó como material de cambio de fase. Los electrodos atravesaron el óxido de aluminio para conectar los dos extremos del dispositivo, y estaba construido con un material polimérico flexible.

El modelado mostró que la combinación de óxido de aluminio y polímero atrapa el calor en el orificio donde se encuentra el material de cambio de fase. Esto se confirmó al mostrar que los requisitos de energía para restablecer el dispositivo disminuyeron a medida que los investigadores aumentaron la cantidad de óxido de aluminio alrededor del dispositivo. En el mejor de los casos, los requisitos de energía del dispositivo eran más de 100 veces más bajos que los dispositivos de hoy fabricados en un sustrato de silicio.

Todo esto sería inútil si el dispositivo no funcionara bien. Pero los investigadores demostraron que podría envolverse alrededor de una varilla de metal de ocho milímetros de diámetro y seguir funcionando normalmente. El rendimiento fue el mismo después de 200 ciclos de doblado y enderezamiento, y su estabilidad de almacenamiento se confirmó como buena para más de 1,000 lecturas. Finalmente, se demostró el almacenamiento multibit utilizando diferentes niveles de resistencia. Entonces, en resumen, parece estar haciendo lo que le gustaría que hiciera la memoria de cambio de fase.

Sin embargo, los investigadores señalan que el principio básico aquí (reducir el uso de energía mediante el aislamiento térmico del material que almacena los datos) también se puede utilizar en memorias de cambio de fase rígidas más convencionales. Y eso podría tener algunas aplicaciones útiles más allá de la memoria, ya que otros equipos han demostrado que es posible entrenar una red neuronal en la memoria de cambio de fase, en lugar de depender de rondas repetidas de cálculos. Este proceso ya es más eficiente desde el punto de vista energético que el uso de computadoras tradicionales para la misma tarea, por lo que aumentar la eficiencia energética de los materiales de cambio de fase puede convertirlo en una opción aún mejor.

Science, 2021. DOI: 10.1126 / science.abj1261 (Acerca de los DOI).

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