Araştırmacılar, bilgisayar belleği için performansı önemli ölçüde artırabilecek ve aynı zamanda önümüzdeki on yıl içinde küresel elektrik tüketiminin yaklaşık üçte birini oluşturması beklenen internet ve iletişim teknolojilerinin enerji taleplerini azaltabilecek yeni bir tasarım geliştirdiler.
Cambridge Üniversitesi önderliğindeki araştırmacılar, insan beynindeki sinapslarla benzer şekilde verileri işleyen bir cihaz geliştirdiler. Cihazlar yarıiletken endüstrisinde zaten kullanılan hafniyum okside (HfO2) dayanmaktadır ve elektronların geçmesine izin vermek için yükseltilebilen veya indirilebilen küçük kendiliğinden monte edilmiş bariyerlerden oluşur.
Bu yöntem, bilgisayar belleği aygıtlarında elektrik direncini değiştirebilme ve bilgi işleme ile belleğin aynı yerde olabilmesini sağlama özelliğine sahip olduğundan, daha yüksek yoğunluğa, üstün performansa ve düşük enerji tüketimine sahip bilgisayar belleği aygıtlarının geliştirilmesine yol açabilir.
Veriye olan ihtiyacın artması, enerji taleplerinin büyümesine ve karbon emisyonlarının azaltılmasını daha da zorlaştırmasına neden oldu. Yakın bir gelecekte yapay zeka, internet kullanımı, algoritmalar ve diğer veri odaklı teknolojilerin küresel elektrik tüketiminin %30’unu aşması bekleniyor.
Cambridge Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Metalurji Bölümü’nden Dr. Markus Hellenbrand, mevcut bilgisayar belleği teknolojilerinin eksikliklerinden kaynaklanan enerji taleplerindeki artışın büyük ölçüde olduğunu belirtmektedir. Geleneksel bilgi işleme yöntemlerinde bellek ve işleme ayrıdır ve verilerin bu ikisi arasında sürekli bir şekilde aktarım gerçekleştirmesinin hem enerji hem de zaman kaybına yol açtığını ifade etmektedir.
Bilgisayar belleği verimsizliği sorununa bir çözüm olarak, yeni bir teknoloji türü olan dirençli anahtarlamalı bellek geliştirilmiştir. Geleneksel bellek cihazları yalnızca bir veya sıfır olmak üzere iki durumu desteklerken, işlevsel bir dirençli anahtarlama bellek cihazı sürekli bir aralıktaki durumları destekleyebilir. Bu temel prensibe dayanan bilgisayar bellek cihazları, daha yüksek yoğunluk ve hız kapasitesine sahip olacaktır.
Hellenbrand sürekli bir aralığa dayalı bir USB belleğin, mevcut belleklere göre 10 ila 100 kat daha fazla bilgi depolayabileceğini belirtmiştir.
Hellenbrand ve meslektaşları, yarıiletken endüstrisinde kullanılan HfO2 dayanan bir prototip cihaz geliştirdi. Bu malzemenin dirençli anahtarlamalı bellek uygulamalarında kullanımının bir zorluğu, homojenlik sorunu olarak bilinir. HfO2 atomik düzeyde yapısal bir düzeni olmadığından, hafniyum ve oksijen atomları rastgele bir şekilde karışır, bu da bellek uygulamaları için kullanılmasını zorlaştırır.
Ancak araştırmacılar, HfO2 ince filmlerine ~%7 baryum ekleyerek (Ba:HfOx), kompozit malzemede dikey köprülerin oluşmaya başladığını keşfettiler. Bu dikey köprüler oldukça yapılandırılmıştır ve elektronların geçmesine izin verirken çevredeki HfO2 yapılandırılmamış olarak kalır. Bu köprülerin cihaz bağlantılarıyla buluştuğu noktada, elektronların geçebilecekleri bir enerji engeli oluşturulur. Araştırmacılar engelin yüksekliğini kontrol ederek kompozit malzemenin elektrik direncini değiştirirler. Hellenbrand, yeni malzemenin geleneksel bellekten farklı olarak birden fazla durumu desteklediğini belirtti.
Pahalı ve yüksek sıcaklıkta üretim yöntemlerini gerektiren diğer kompozit malzemelerin aksine, bu HfO2 kompozitleri düşük sıcaklıklarda kendiliğinden oluşur. Bu kompozit malzeme, yüksek düzeyde performans ve homojenlik göstererek yeni nesil bellek uygulamaları için büyük umutlar vadeder.
Hellenbrand, bu malzemelerin gerçekten heyecan verici olan özelliğinin, beyindeki bir sinaps gibi çalışabilme yeteneği olduğunu belirtti. Bu malzemeler belleği ve bilgi işlemeyi aynı yerde depolayabilir ve işleyebilirler. Bu özellikleri sayesinde yapay zeka ve makine öğrenme alanlarında hızla büyüyen teknolojilere büyük umutlar vadederler.
Araştırmacılar şimdi, yüksek performanslı yapıların nasıl oluştuğunu daha net anlamak için endüstriyle daha büyük ölçekli uygulanabilirlik çalışmaları yapmaktadır. HfO2 , zaten yarıiletken endüstrisinde kullanılan bir malzeme olduğu için araştırmacılar, mevcut üretim süreçlerine entegre etmenin zor olmayacağını söylüyor.
Kaynak
https://techxplore.com/news/2023-06-memory-greatly-energy.html