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相变材料增加了计算机的速度限制

2018-05-16
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通过用相变材料代替硅,新的研究表明计算机可以处理信息的速度比目前的模型快1,000倍。 /

计算机处理器和存储器的当前尺寸和速度限制可以通过用“相变材料”(PCM)代替硅来克服,该相变材料能够在具有不同电状态的两个结构相之间可逆地切换 - 一个晶体和导电,另一个玻璃质和绝缘 - 十亿分之一秒。

基于PCM的器件的建模和测试表明,逻辑处理操作可以使用超短电压脉冲的特定组合在非易失性存储器单元中执行,这对于基于硅的器件是不可能的。

在这些新器件中,逻辑运算和存储器位于硅基计算机中的同一位置,而不是分开的。这些材料最终可以使处理速度比当前普通笔记本电脑快500至1,000倍,同时使用更少的能源。结果发表在“美国国家科学院院刊”上。

这些处理器由剑桥大学,新加坡A * STAR数据存储研究所和新加坡科技与设计大学的研究人员设计,使用一种基于硫族化物玻璃的PCM,该玻璃可以尽可能少的熔化和再结晶如使用适当的电压脉冲的半纳秒(十亿分之一秒)。

大多数计算机,手机和平板电脑所执行的计算均由基于硅的逻辑器件执行。用于存储这种计算结果的固态存储器也是基于硅的。 “但是,随着对更快计算机的需求持续增长,我们正在迅速达到芯片能力的极限,”负责这项研究的剑桥化学系Stephen Elliott教授说。

增加计算机功率的主要方法之前一直是通过逐渐减小设备的尺寸来增加它们所包含的逻辑设备的数量,但是对于当前设备体系结构的物​​理限制意味着这很快变得几乎不可能继续。

目前,基于硅的最小逻辑和存储器器件的尺寸约为20纳米 - 比人发稀疏约4000倍 - 并且分层构建。随着器件越来越小以增加其在芯片上的数量,最终层之间的间隙将变得非常小,使得存储在闪存非易失性存储器件的某些区域中的电子将能够隧穿设备,导致数据丢失。 PCM设备可以克服这种尺寸限制的限制,因为它们已经显示功能下降到大约两纳米。

在不增加逻辑器件数量的情况下提高处理速度的另一种方法是增加每个器件可以执行的计算次数,这是使用硅片不可能实现的,但是研究人员已经证明PCM逻辑/存储器器件可以进行多种计算。

PCM最初是在20世纪60年代开发的,最初用于光存储设备,如可重写DVD。现在,它们开始用于电子存储器应用,并开始取代某些智能手机中的硅基闪存。

最近演示的用于执行存储器内逻辑的PCM器件确实具有缺点:目前,它们不以与硅相同的速度执行计算,并且它们在起始非晶相中表现出缺乏稳定性。

然而,剑桥和新加坡的研究人员发现,通过逆向执行逻辑运算过程 - 从晶相开始,然后熔化单元中的PCM以执行逻辑运算 - 材料更加稳定并且能够执行操作要快得多。

现有PCM的固有开关速度或结晶速度大约为十纳秒,因此适用于替换闪存。通过将速度进一步提高到不到1纳秒(如2012年剑桥和新加坡研究人员所证实的),他们有朝一日能够通过非易失性存储器取代需要持续刷新的计算机动态随机存取存储器(DRAM)易失性PCM替换。

在基于硅的系统中,信息混乱,耗费时间和精力。 “理想情况下,我们希望将信息生成并存储在同一个地方,”该论文的第一作者,新加坡科技与设计大学的德斯蒙德洛克博士说。 “硅是短暂的:信息产生,传递并且必须存储在其他地方。但是使用PCM逻辑器件,信息就停留在它所产生的地方。“

“最终,我们真正想做的是用新的基于PCM的非易失性设备替换计算机中的DRAM和逻辑处理器,”Elliott教授说。 “但为此,我们需要切换速度接近1纳秒。目前,DRAM的刷新在全球范围内泄漏了大量的能源,这在经济和环境方面都是昂贵的。更快的PCM切换时间将大大减少这种情况,从而使电脑不仅更快,而且更“绿色”。“

该研究由英国工程与物理科学研究委员会(EPSRC)提供部分资助。

出版物:Desmond Loke等人,“由熔化过程驱动的超快相变逻辑器件”,PNAS, 111号。 2014年3月31日; doi:10.1073 / pnas.1407633111

来源:剑桥大学

图片:奥利弗哈蒙德