Νέο υλικό μνήμης υπολογιστή Goes Easy on the Juice

Η εκτέλεση πολλαπλών εργασιών έχει ένα τίμημα:Ο υπολογιστής σας απορροφά πολλή ηλεκτρική ενέργεια παρακολουθώντας την εργασία που δεν έχετε αποθηκεύσει ακόμη στον σκληρό δίσκο. Οι Αμερικανοί ξοδεύουν 6 δισεκατομμύρια δολάρια το χρόνο σε ηλεκτρική ενέργεια για να διατηρούν αυτά τα δεδομένα αποθηκευμένα στη μνήμη ενός υπολογιστή κατά τη λειτουργία. Αλλά αυτό το ποσοστό θα μπορούσε να μειωθεί απότομα, αναφέρουν οι επιστήμονες αυτή την εβδομάδα, χάρη σε ένα νέο είδος υλικού που μπορεί να αποθηκεύσει μόνιμα τέτοια δεδομένα - χωρίς να χρειάζεται μια συνεχής ροή ηλεκτρισμού για να γίνει αυτό.

Οι τυπικοί επιτραπέζιοι υπολογιστές βασίζονται σε δύο τύπους τεχνολογίας μνήμης για την αποθήκευση ροών 1 και 0 που συνθέτουν δυαδικά δεδομένα. Ο σκληρός δίσκος του υπολογιστή αποθηκεύει δεδομένα ως λωρίδες μαγνητικού προσανατολισμού που έχουν καταγραφεί σε μαγνητικό δίσκο:Φανταστείτε δισεκατομμύρια μπαλώματα βελόνων πυξίδας που δείχνουν είτε βόρεια είτε νότια, το καθένα αντιπροσωπεύει ένα 1 ή ένα 0. Επειδή αυτός ο μαγνητικός προσανατολισμός διαρκεί μέχρι να αλλάξει σκόπιμα, αυτός ο τύπος της μνήμης είναι σταθερή—δεν απαιτεί πρόσθετο ηλεκτρισμό για τη διατήρησή της.

Ο δεύτερος τύπος μνήμης, ωστόσο, το κάνει. Αυτή είναι η μνήμη τυχαίας πρόσβασης (RAM) ή μνήμη εργασίας, την οποία χρησιμοποιεί ο υπολογιστής για την εκτέλεση εργασιών. Η συμβατική μνήμη RAM κατασκευάζεται με τη σύνδεση πολλών τρανζίστορ μεταξύ τους σε ένα κύκλωμα. αυτός ο τύπος μνήμης είναι "πτητικός", που σημαίνει ότι χρειάζεται να τροφοδοτείται συνεχώς με ηλεκτρισμό για να διατηρεί κάθε bit πληροφοριών. Απενεργοποιήστε τον υπολογιστή σας χωρίς να αποθηκεύσετε τα δεδομένα σας στον σκληρό σας δίσκο και θα χάσετε αυτές τις πληροφορίες για πάντα.

Οι υπολογιστές απορροφούν ενέργεια αξίας δισεκατομμυρίων δολαρίων κάθε χρόνο για να διασφαλίσουν ότι αυτό δεν θα συμβεί. Υπάρχουν εναλλακτικές λύσεις στη συμβατική μνήμη RAM, μερικές από τις οποίες είναι μη πτητικές μνήμες. Αλλά αυτά έχουν μειονεκτήματα:Μπορεί να είναι πιο ακριβά, βαρύτερα ή απλά να καταλαμβάνουν πάρα πολλά ακίνητα με τσιπ υπολογιστή.

Τώρα, ερευνητές στις Ηνωμένες Πολιτείες και τη Νότια Κορέα αναφέρουν στο τεύχος αυτής της εβδομάδας του Nature ότι έχουν δημιουργήσει ένα νέο υλικό που μπορεί να ξεπεράσει όλα αυτά τα προβλήματα. Το υλικό, μια κρυσταλλική οργανική ένωση φτιαγμένη από φτηνά δομικά στοιχεία, προέκυψε ως «ευτυχισμένο ατύχημα», λέει ο Samuel Stupp, χημικός στο Πανεπιστήμιο Northwestern στο Evanston του Ιλινόις, ο οποίος ηγήθηκε της νέας μελέτης μαζί με τον συνάδελφό του Βορειοδυτικό χημικό Fraser Stoddart. Ο Stupp εξηγεί ότι ο Alexander Shveyd, πρώην μέλος του εργαστηρίου του Stoddart και τώρα μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο Πανεπιστήμιο του Rochester στη Νέα Υόρκη, πειραματιζόταν με οργανικά μόρια σε σχήμα δακτυλίου, εργαζόταν για να δημιουργήσει ζεύγη από αυτά τα μόρια που θα συγκεντρώνονταν μεταξύ τους. Αλλά δεν είχε πολλή τύχη. Ζήτησε τη βοήθεια του Alok Tayi, ενός φίλου στο εργαστήριο του Stupp, ο οποίος είναι τώρα μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. Μαζί, το ζευγάρι άλλαξε το σχέδιο των δύο μορίων και τα έκανε να στοιβάζονται αυθόρμητα μεταξύ τους σε εναλλασσόμενες θέσεις, σαν χάντρες σε μια χορδή.

Αυτός ο σχεδιασμός αποδείχθηκε ότι είχε ένα άλλο όφελος. Το νέο υλικό είναι σιδηροηλεκτρικό, που σημαίνει ότι η μία πλευρά είναι αρνητικά φορτισμένη ενώ η άλλη θετικά. Εφαρμόζοντας ένα ηλεκτρικό πεδίο σε ένα σιδηροηλεκτρικό υλικό, οι μηχανικοί μπορούν να αναστρέψουν αυτά τα φορτία - και μόλις αναποδογυριστεί, το υλικό διατηρεί αυτόν τον προσανατολισμό φορτίου εκτός εάν χτυπηθεί με άλλη έκρηξη χυμού. Αυτός ο σχετικά μόνιμος προσανατολισμός κάνει τα σιδηροηλεκτρικά υλικά δελεαστικά για μη πτητικές μνήμες.

Τα σιδηροηλεκτρικά δεν είναι μια νέα έννοια - στην πραγματικότητα, τα σιδηροηλεκτρικά υλικά που κατασκευάζονται από ανόργανες ενώσεις υπάρχουν εδώ και δεκαετίες και χρησιμοποιούνται ακόμη και σε ορισμένους υπολογιστές σήμερα. Αλλά τα ανόργανα σιδηροηλεκτρικά υλικά απαιτούν δαπανηρή επεξεργασία, επομένως οι ερευνητές ήλπιζαν από καιρό ότι τα οργανικά υλικά θα ήταν φθηνότερα - είναι συνήθως πιο εύκολο να μπερδέψουμε τη μοριακή και ηλεκτρονική δομή αυτών των ενώσεων. Τα προηγούμενα οργανικά σιδηροηλεκτρικά, ωστόσο, δεν διατηρούσαν την κρυσταλλική μοριακή τους τάξη καθώς και τα ανόργανα, και, ως εκ τούτου, ήταν σιδηροηλεκτρικά μόνο σε θερμοκρασίες πολύ κάτω από το μηδέν, όπου η τάξη ήταν σταθερή.

Τα νέα υλικά λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου λόγω του τρόπου με τον οποίο τα μόρια των δομικών μονάδων συναρμολογούνται αυθόρμητα σε καλά διατεταγμένους κρυστάλλους. Ένα μόριο, που ονομάζεται δότης, έχει ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο. Στο άλλο, που ονομάζεται δέκτης, λείπει ένα ηλεκτρόνιο. Τα μόρια δότη και δέκτη φωλιάζουν το ένα κοντά στο άλλο για να μοιραστούν αυτό το επιπλέον ηλεκτρόνιο - αλλά και οι δύο τύποι μορίων μπορούν επίσης να σχηματίσουν ασθενέστερους δεσμούς με άλλους γείτονες. Το αποτέλεσμα ήταν ότι ενώ ο δότης σε κάθε ζεύγος φωλιάζει κοντά στον συνεργάτη αποδέκτη του στη μία πλευρά, στην άλλη πλευρά ήταν μια χειραψία μακριά από τον δέκτη στο επόμενο ζεύγος δότη-δέκτη. Έτσι οι δότες και οι αποδέκτες σχημάτισαν μεγάλες στοίβες, εναλλάσσοντας δότες και αποδέκτες. Ο τρόπος που συναρμολογήθηκαν αυτές οι στοίβες έκανε το υλικό σιδηροηλεκτρικό, με συνολικό ηλεκτρικό προσανατολισμό προς μία κατεύθυνση.

Το πραξικόπημα ήταν ότι όταν οι ερευνητές εφάρμοσαν ένα ηλεκτρικό πεδίο με αντίθετο προσανατολισμό από αυτό στους κρυστάλλους τους, οι δομικοί λίθοι λειτουργούσαν σαν τετράγωνοι χορευτές:Οι δωρητές τράβηξαν τους δέκτες που κρατούσαν προηγουμένως σε απόσταση αναπνοής, αφήνοντας τους πρώην εταίρους να απομακρυνθούν ελαφρώς. . Ως αποτέλεσμα, ο συνολικός ηλεκτρικός προσανατολισμός αντιστράφηκε, ακριβώς όπως ένα κομμάτι δεδομένων που αλλάζει από το 1 στο 0.

«Αυτό το εύρημα είναι θεμελιώδες», λέει ο Takuzo Aida, χημικός στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο. Η Aida σημειώνει ότι το νέο υλικό μπορεί να χρειάζεται ακόμα κάποιες προσαρμογές για να γίνει βιώσιμη τεχνολογία αποθήκευσης δεδομένων. Ο Stupp συμφωνεί. Αλλά, λέει, τα δομικά στοιχεία αλλάζουν εύκολα. «Τώρα που γνωρίζουμε τους κανόνες σχεδιασμού, μπορούμε να αλλάξουμε τα μόρια και να τα συνδυάσουμε με διαφορετικούς τρόπους».