Jülich - Jülicher Forscher lernfähigen Speicherchips auf der Spur

Jülicher Forscher lernfähigen Speicherchips auf der Spur

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Jülich. Hocheffizient, energiesparend und äußerst schnell: Resistive Schalter gelten als vielversprechende Komponenten für Computer der nächsten Generation. Jülicher Wissenschaftler haben gemeinsam mit amerikanischen Partnern nun erstmals beobachtet, wie sich die Strukturen im Innern dieser zukunftsweisenden Schaltelemente im Detail ausbilden.

Obwohl es sich um einen Festkörper handelt, bewegen sich Metallatome darin hin und her. Der genaue Mechanismus war lange unklar. Computer-Chips auf der Basis von resistiven Schaltern, etwa resistive Speicherelemente – kurz ReRAM, wären nicht nur deutlich energieeffizienter und schneller als heutige Datenspeicher. Sie ermöglichen es, Logik- und Speicherfunktionen miteinander zu vereinen. Damit sind diese Bauteile ideale Kandidaten für den Aufbau neuromorpher Schaltungen. Solche Hardware ist dem Vorbild biologischer Nervenzellen nachempfunden und schon von sich aus lernfähig.

Aufbau einer resistiven Speicherzelle: Sogenannte Filamente verändern den elektrischen Widerstand – was sich zur Speicherung von Informationen nutzen lässt.

Aufnahmen mit dem Transmissionselektronenmikroskop aus dem Innern einer solchen Speicherzelle zeigen, wie sich Nanopartikel aus wenigen Metallatomen unter dem Einfluss eines elektrischen Felds bewegen. Diese sogenannten Cluster werden zu einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen den Elektroden der Speicherzelle.

Dieses Filament verändert den elektrischen Widerstand. Der Effekt lässt sich zum Verarbeiten und Speichern von Informationen nutzen. Die Daten bleiben selbst dann erhalten, wenn kein Strom fließt. „Die Beobachtung der Teilchenbewegung ist ein großartiges Ergebnis“, freut sich Dr. Ilia Valov vom Jülicher Peter Grünberg Institut.

„Unsere Arbeit liefert erstmals eine Erklärung, wie die bekannten unterschiedlichen Zustände von resistiven Zellen zustande kommen. Mithilfe der zugrundeliegenden Prinzipien lässt sich vorhersagen, wie die Prozesse in Abhängigkeit von Materialeigenschaften und der lokalen elektrischen Stromstärke ablaufen.“

Der Jülicher Forscher hat mit seinen amerikanischen Partnern die Bewegungsmuster für verschiedene Metalle, darunter Silber und Platin, verfolgt. „Vergleichbar mobile Atome wurden bisher eher mit Flüssigkeiten und Gasen in Verbindung gebracht. Dies ist das erste Mal, dass solche Bewegungen in einem Festkörper sichtbar gemacht werden konnten“, sagt Prof. Wei Lu von der University of Michigan.

Die Erkenntnisse könnten neue Ansätze für das Design von Computer-Chips ermöglichen. So werden etwa Verfahren denkbar, bei denen sich die Schaltkreise erst nachträglich durch fein aufeinander abgestimmte elektrische Signale gezielt ausformen lassen. Darüber hinaus werfen die Erkenntnisse ein neues Licht auf bestimmte Vorgänge wie Alterungsprozesse von modernen Kondensatoren, Katalysatoren und sogenannten Metamaterialien, die aus ganz ähnlichen Materialkombinationen bestehen.

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