Smartphones, KI-Systeme und smarte Geräte verbrauchen immer mehr Energie – vor allem für die Datenspeicherung. Ein Forscherteam aus Japan hat nun einen Speicher entwickelt, der nur 25 Nanometer breit ist und Daten über zehn Jahre ohne Strom sichern soll. Geräte könnten mit einer einzigen Ladung dadurch monatelang durchhalten.
Der weltweite Energiebedarf dürfte durch Künstliche Intelligenz und neuromorphes Rechnen weiterhin steigen. Forscher aus Japan hab nun ein neuartiges Speicherbauteil entwickelt, das Daten ohne ständige Stromzufuhr dauerhaft sichern soll. Es handelt sich um sogenannte ferroelektrische Tunnelkontakte, die sehr stromsparend arbeiten.
Solche Bauteile könnten künftig eine wichtige Basis für eine deutlich längere Akkulaufzeit bei mobilen Geräten bilden und sie mit nur einer Ladung monatelang laufen lassen. Die Wissenschaftler nutzten für ihre Entwicklung das Material Hafniumoxid.
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Dieser Stoff wird bereits in der gängigen Chip-Produktion verwendet, was eine spätere Massenfertigung erleichtern dürfte. Durch die Zugabe von etwas Yttrium erhält das Material spezielle elektrische Eigenschaften. So bleibt die gespeicherte Information auch dann vollständig erhalten, wenn das System ausgeschaltet ist.
Wie der Speicher mit nur 25 Nanometern Breite funktioniert
Das Forscherteam verkleinerte die Speicherstruktur für seine Versuche erheblich. Die Kreuzungspunkte der leitenden Drähte messen in der Breite lediglich 25 Nanometer. Die eigentliche isolierende Hafniumoxid-Schicht dazwischen ist sogar nur bis zu drei Nanometer dünn.
Diese winzigen Abmessungen ermöglichen es Elektronen, die Barriere direkt zu durchtunneln, was den Stromverbrauch beim Auslesen der Daten weiter minimiert. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung ändert sich der Widerstand in dieser Zelle.
Es entsteht ein Zustand mit niedrigem und einer mit hohem Widerstand, womit sich digitale Einsen und Nullen abbilden lassen. Der messbare Unterschied zwischen diesen beiden Zuständen ist bei der neuen Struktur sehr deutlich. Zukünftige Speichermodule mit dieser Technologie würden sich besonders für Anwendungen eignen, die bei geringem Energieverbrauch große Datenmengen verarbeiten.
Über zehn Jahre Datensicherheit – auch bei extremer Kälte
Neben dem geringen Stromverbrauch beweist die neue Technik eine hohe Beständigkeit. Die Forscher testeten die Schaltungen bei Raumtemperatur und bei extremer Kälte nahe dem absoluten Nullpunkt. In beiden Szenarien funktionierten die kleinen Zellen stabil und ohne merkliche Verschlechterung der Speicherleistung.
Hochrechnungen der Wissenschaftler zeigen zudem, dass die gespeicherten Daten voraussichtlich mehr als zehn Jahre lang sicher lesbar bleiben würden.
Die einfache Integration in bestehende Produktionsabläufe macht das Konzept attraktiv für die kommerzielle Industrie. Die Studienautoren betonen die Relevanz ihrer Arbeit für die künftige Mikroelektronik. Das Forscherteam um den Autor Yutaka Majima fasste die Bedeutung der Ergebnisse in der Untersuchung zusammen:
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Die demonstrierten Nanokreuzschienen-Bauteile zeigen einen vielversprechenden Weg für eine hochdichte, energieeffiziente und CMOS-kompatible Integration von ferroelektrischem Speicher auf. Die Kreuzschienenstruktur liefert ein kompaktes und regelmäßiges Array-Format, das eine hohe Zelldichte ermöglicht. Dieses Format macht die Technologie besonders geeignet für skalierbare Speicherarchitekturen in der nächsten Generation der Speichermedien.
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