por JOHN TIMMER
Los materiales flexibles atrapan el calor en los dispositivos, lo que hace que el cambio de bits sea más eficiente.
Hace unos meses, trajimos la noticia de una CPU flexible, denominada Plastic ARM, que se construyó con silicio amorfo sobre un sustrato flexible. Los casos de uso para algo como esto son dispositivos de muy baja potencia 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 lo convierte en un ajuste deficiente para la tecnología RAM tradicional, que necesita energía para mantener el estado de la memoria.
Pero un grupo de Stanford ahora lo tiene cubierto. Los investigadores han construido una forma de memoria de cambio 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, si bien su trabajo se centró inicialmente en conseguir algo que fuera flexible para funcionar, los principios que descubrieron durante su trabajo 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 flexibles. Pero la memoria de cambio de fase tiene innumerables ventajas. Funciona conectando dos electrodos a través de un material que puede formar estados cristalinos y 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; cortar la corriente repentinamente permitirá que se enfríe en un estado amorfo, mientras que reducir la corriente lentamente 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 calentamiento para crear varios niveles de resistencia discretos. Críticamente, 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 plantea un desafío para los dispositivos que pueden ser alimentados por una pequeña cantidad de carga obtenida de fuentes ambientales. Entonces, hacer memoria de cambio de fase con materiales flexibles no es suficiente. También debe hacer coincidir su rendimiento con los casos de uso típicos para dispositivos flexibles.
Convenientemente, parte del proceso de hacerlo flexible también brindó la solución para mejorar su desempeño.
Haciendo que sea flexible
Una gran cantidad de componentes electrónicos flexibles se construyen 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 atrapar 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, el agujero se llenó con capas alternas de telururo de estaño y telururo de germanio, que actuó como material de cambio de fase. Los electrodos atravesaron el óxido de aluminio para conectar los dos extremos del dispositivo, y se construyó sobre un material polimérico flexible.
El modelado mostró que la combinación de óxido de aluminio y el polímero atrapó calor en el orificio donde se encontraba 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 que rodea el dispositivo. En el mejor de los casos, los requisitos de energía del dispositivo eran más de 100 veces más bajos que los dispositivos actuales fabricados en un sustrato de silicio.
Todo eso 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 ancho y seguir funcionando normalmente. El rendimiento fue el mismo después de 200 ciclos de doblado y enderezamiento, y se confirmó que la estabilidad de su almacenamiento era buena en más de 1,000 lecturas. Finalmente, se demostró el almacenamiento de múltiples bits utilizando diferentes niveles de resistencia. Entonces, en general, parece estar haciendo lo que querría de la memoria de cambio de fase.
Los investigadores señalan, sin embargo, que el principio básico aquí —reducir el uso de energía mediante el aislamiento térmico del material que almacena los datos— también podría usarse en una memoria de cambio de fase rígida más convencional. 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. Ese 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 podría convertirlo en una opción aún mejor.
Science, 2021. DOI: 10.1126 / science.abj1261 ( Acerca de los DOI ).
Fuente: https://arstechnica.com/science/2021/09/our-flexible-processors-can-now-use-bendable-ram/
