Ideale Geometrie einer Speicherzelle

  • 06. December 2017

EIne neue Simulation zeigt, wie sehr elektronische Speicherelemente noch schrumpfen dürfen.

Spezielle elek­tronische Module – CBRAMs (Conductive Bridging Random Access Memories) könnten eine zukunfts­weisende Lösung der Speicher­problematik sein, da sich in ihnen Daten nahezu permanent speichern lassen. Um sie möglichst klein und energie­sparend zu gestalten, muss genau bekannt sein, wie sie sich auf atomarer Ebene verhalten. Das Team von Mathieu Luisier an der ETH Zürich befasst sich mit dieser Art von Speichern aus zwei Metall-Elektroden, getrennt durch einen Halbleiter. Die Forscher entwickelten nun ein nume­risches Computer­modell eines CBRAM aus rund 4500 Atomen. Diese Simu­lation auf atomarer Nano­ebene ermöglicht eine präzise Beschreibung der Stärke des von einem Nano-Metall­faden erzeugten Stroms, der sich zwischen den Elektroden auf- oder abbaut.

Abb.: Numerische Simulation eines CBRAM-Speichers auf atomarer Ebene bei einer Spannung von einem Millivolt mit Elektronenbahnen, Kupfer- (grau), Silizium- und Sauerstoffatomen. (Bild: SNF / ETHZ)

Abb.: Numerische Simulation eines CBRAM-Speichers auf atomarer Ebene bei einer Spannung von einem Millivolt mit Elektronenbahnen, Kupfer- (grau), Silizium- und Sauerstoffatomen. (Bild: SNF / ETHZ)

„Dies ist ein enormer Fort­schritt“, betont Luisier. „Bisher umfassten die bestehenden Modelle rund einhundert Atome." Das neue Modell generiert ein realistisches Bild des elek­trischen Stroms sowie der vom Speicher­element abgegebenen elek­trischen Leistung, sodass sich ihre Temperatur berechnen lässt. Veränderungen der einzelnen Parameter der Speicher­lösung ermög­lichen es den Forschern, die Auswir­kungen von verschie­denen Halbleiter­dicken und unter­schiedlich starken Metall­fäden zu beobachten. Die aktuellen Ergeb­nisse belegen, dass der lokale Energie­verbrauch und die Erhitzung sinken, wenn man die beiden Elektroden einander annähert. Dies gilt aber nur bis zu einem gewissen Punkt: Eine zu große Nähe der Elektroden kann den quanten­mechanischen Tunnel­effekt zur Folge haben, sodass sich der Stromfluss zwischen ihnen nicht mehr steuern lässt.

Die Arbeiten zeigen so die Ideal­geometrie eines CBRAM-Speichers auf: ein Halb­leiter von 1,5 bis 2 Nano­metern Dicke, was knapp einem Dutzend Atomen entspricht. Nach wie vor ist die Herstellung solcher Speicher aber nicht ganz einfach: Maschinen, die in derartig kleinen Dimen­sionen arbeiten können, bedienen sich einer Technik zur Atom­verdampfung, die sich derzeit nur schwer mit einer Massen­produktion vereinbaren lässt. „Der Kanal eines handels­üblichen CMOS-Tran­sistors misst heutzutage rund zwanzig Nanometer und ist somit zehnmal breiter als der Halb­leiter der unter­suchten CBRAMs“, sagt Luisier. „Es könnte daher sein, dass das Mooresche Gesetz – das davon ausgeht, dass sich die Grösse elek­tronischer Bauteile alle 18 bis 24 Monate halbiert – in den nächsten zehn Jahren endgültig außer Kraft gesetzt wird.“

Zum Bau des 4500-Atom-Modells stand den Forschern ein leistungs­starker Computer namens Piz Daint zur Verfügung – weltweit steht der im Nationalen Hochleistungs­rechenzentrum CSCS in Lugano stehende Rechner an dritter Stelle; er ist in der Lage, pro Sekunde über zwanzig Millionen Milliarden Rechen­operationen zu verarbeiten. Um eine solche Studie durch­zuführen, braucht es mindestens 230 modernste Grafik­karten. Piz Daint umfasst über 4000 solcher Karten, die jeweils mit einem eigenen CPU-Prozessor verbunden sind, „Selbst bei einer derart starken Rechen­leistung nehmen die Simulation und die Bestimmung der elek­trischen Eigen­schaften eines solchen Speichers mehrere Stunden in Anspruch“, sagt Luisier.

SNF / JOL

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