Lysglimt gir raskere minne i datamaskiner

Forskerne går nye veier for å utvikle superytelse i datamaskiner. Snart bruker kanskje pc-ene våre lys til å lese informasjon.

Publisert
 (Foto: Colourbox)
(Foto: Colourbox)

Dagens moderne datateknologi bruker i hovedsak to komponenter for lagring. For rask, midlertidig lagring benyttes varianter av RAM - Random Access Memory -  en teknologi som er hurtig, men den lagrede informasjonen forsvinner så fort strømmen skrus av.

Ønsker du varig lagring kan du ty til flash-disker eller harddisker, men da på bekostning av hurtighet.

Felles for disse lagringsmåtene er at de bruker elektroniske ladninger som tilsvarer 0er og 1ere, kalt binære tall eller bits. Disse binære tallene danner igjen grunnlaget for all informasjon vi får fra dataskjermen.

Men flere forskere ser nå på muligheten av å bruke andre elementer som grunnlag for datainformasjon.

Fysikken bak solcellepaneler

I én ende av skalaen forskes det på kvantepartikler og hvordan disse kan brukes som qubits, her vil partiklenes egenskaper utgjøre byggestenene for informasjonen.

Øverst: I et vanlig dataminne lagres enten et ett-tall eller en null. Under: I en qbit kan flere tilstander av en og null lagres samtidig. (Illustrasjon: JB Waldner, GNU Free Documentation License, bearbeidet av forskning.no)
Øverst: I et vanlig dataminne lagres enten et ett-tall eller en null. Under: I en qbit kan flere tilstander av en og null lagres samtidig. (Illustrasjon: JB Waldner, GNU Free Documentation License, bearbeidet av forskning.no)

Da kvantepartikler ikke har én egenskap av gangen, men heller et uendelig antall mulige tilstander, gir dette muligheter for ekstremt kraftige datamaskiner fordi én qubit kan være både 1 og 0 på en gang.

Det er imidlertid et godt stykke igjen før disse kvantadatamaskinene blir allemannseie, mest på grunn av kvantepartiklenes uregjerlige natur, men andre alternativer basert på enklere og mer samarbeidsvillig fysikk er hakket nærmere å bli realisert.

Nå presenterer forskere fra USA og Singapore i siste utgave av tidsskriftet Nature Communications en ny prototype til et lagringsmedium basert på fysikken som driver solcellepaneler, skriver Nature på sine nettsider.

Bruker spesiell elektrisitet

Materialet som danner grunnlaget for teknologien er vismutferritt, et stoff som kan representere de binære tallene som én av to polariserte tilstander. Disse tilstandene kan manipuleres ved å tilføre elektrisk spenning – en egenskap kalt ferroelektrisitet.

Ferroelektrisk RAM (FeRAM) basert på andre materialer finnes allerede på markedet og tilbyr hurtig skrivehastighet samtidig som den i motsetning til RAM er ikke-flyktig. Den beholder dataene i minnet om strømmen skrus av.

Men dagens FeRAM er ikke mye brukt. Et av problemene, ifølge studien, er at det elektriske signalet som brukes til å lese av informasjonen i FeRAM samtidig sletter den, så data må skrives inn på nytt hver gang. Dette gir pålitelighetsproblemer.

Forskerne utnytter vismutferritts fotovoltaiske egenskaper. Den samme effekten driver solcellepaneler. (Illustrasjonsfoto: iStockphoto)
Forskerne utnytter vismutferritts fotovoltaiske egenskaper. Den samme effekten driver solcellepaneler. (Illustrasjonsfoto: iStockphoto)

Men den nye prototypen gir muligheten til å lese av informasjon uten å ødelegge den ved å utnytte en annen egenskap i vismutferritt.

I 2009 demonstrerte nemlig forskere ved Rutgers University i New Jersey at materialet har en fotovoltaisk respons til synlig lys. Det betyr at når materialet blir truffet av lys dannes det en elektrisk spenning. Størrelsen på spenningen er avhengig av hvilken polariserte tilstand materialet er i og kan bli lest av ved hjelp av elektroder eller transistorer.

Lys ødelegger ikke materialets polarisasjon, så ved å rette lys mot materialet kan man dermed lese av informasjon uten å ødelegge den.

Lynrask, men for stor

Det tar under 10 nanosekunder å skrive og lese av cellene, og innhentingen av informasjonen bruker om lag 3 volt. Den ledende ikke-flyktige RAM-teknologien bruker til sammenlikning 10 000 ganger lenger tid på å lese å skrive, og bruker 15 volt på å hente inn informasjonen.

Foreløbig må prototypen forminskes betraktelig om teknologien skal kunne bli konkurransedyktig. Kommersielt tilgjengelig flash-minne er bygget ved hjelp av utstyr som kan danne elementer helt nede i 22 nanometer, stripene i prototypen er til sammenlikning 10 gigantiske mikrometer brede.

Samtidig ønsker forskerne å utvikle optiske deler som gir muligheten til å lyse opp én og én celle av gangen når informasjonen skal leses av. I dagens prototype lyses hele matrisen opp hele tiden, noe en av forskerne bak studien kaller lite praktisk.

Kilder:

Rui Guo mfl: Non-volatile memory based on the ferroelectric photovoltaic effectNature Communications 4, doi:10.1038/ncomms2990. Publisert 11. juni 2013.