Een computer die meteen is opgestart met alle programma’s en documenten die u open had staan – het is nu een stap dichterbij gekomen dankzij opgekrikt silicium.
Amerikaanse onderzoekers hebben samen met onder meer Motorola en Intel een nieuw geheugenmateriaal ontwikkeld dat bits aan informatie kan opslaan als er stroom op het materiaal staat. Bij het uitschakelen van de elektriciteit blijft de informatie behouden. Dat maakt het materiaal ideaal als werkgeheugen voor computers, denken de onderzoekers.
Pc’s en laptops bevatten zowel een harde schijf als werkgeheugen. De harde schijf kan ook zonder stroomtoevoer gegevens vasthouden, maar is relatief traag. Het werkgeheugen (DRAM) is daarentegen snel, maar verliest alle gegevens bij het uitzetten van de computer. Daarom kost het tijd om een computer op te starten: gegevens zoals het besturingssysteem en software worden in die tijd van de harde schijf naar het werkgeheugen verplaatst. Als het werkgeheugen zijn toestand zou onthouden – inclusief openstaande documenten en muziek – kunt u op elk moment de computer inschakelen en verder gaan waar u was.
Het nieuwe materiaal lijkt die utopie nu dichterbij te brengen. Het Amerikaanse team liet een laagje strontiumtitanaat-kristallen groeien op geleidend silicium. Elektriciteit op het geheel zetten duwt het laagje titanaat in twee vormen waardoor het bits kan opslaan. Bij het uitschakelen van de computer blijft het materiaal in dezelfde positie staan, waardoor het zijn informatie onthoudt (Science, 17 april 2009). Dit maakt het potentieel geschikt als ferro-elektrisch werkgeheugen (FeRAM).
Hoewel ferroelektriciteit al in 1920 is ontdekt, was het moeilijk te combineren met silicium, het geleidingsmateriaal van een computer. Hoofdonderzoeker Maitri P. Warusawithana aan de Cornell-universiteit: “silicium en titanaat zijn structureel en chemisch heel verschillend. Daarnaast reageert silicium met zuurstof en maakt het zijn eigen beschermend laagje. Soms lekken elektronen uit het materiaal en gaat het geheugen verloren. We hebben dit proberen op te lossen door een dun laagje strontiumtitanaat op het silicium te leggen. Het silicium perst de atomen zodanig samen dat de ruimte tussen de atomen overeenkomt met die van silicium. Hierdoor wordt het ferro-elektrisch.”
De uitvinding betekent niet dat het morgen in de winkel ligt, benadrukt dr Jeremy Levy van de universiteit van Pittsburgh, betrokken bij het onderzoek: “Wij hebben het principe aangetoond, nu moet het verder ontwikkeld worden. Er zijn nog generaties verbetering nodig om tot een concurrerend product te komen. Eerst moeten we ferro-elektrische transistoren maken, het hoofdelement van geheugenchips. Hoe meer transistoren op een chip, hoe groter het geheugen. Vervolgens kunnen er prestatieproblemen opduiken, zoals elektronen die gevangen zitten tussen het silicium en het laagje titanaat. Pas als die problemen zijn opgelost is het gereed voor productie. Als fabrikanten daarvoor hun fabrieken beschikbaar stellen tenminste. Levy: “Een fabriek opzetten kost een miljard dollar. Huidige fabrieken worden gebruikt voor producten waar al vraag naar is, zoals flash-geheugen en DRAM.”
Poortje
Geheugen dat onafhankelijk van de stroomtoevoer gegevens onthoudt, bestaat overigens al. FeRAM wordt sinds 1999 door Fujitsu geproduceerd voor gebruik in sommige chipkaarten. Een voorbeeld is de skipas, die de prijs voor de skilift automatisch afschrijft als de skiër langs een poortje loopt. De passen gebruiken ferro-elektrisch geheugen omdat het geen stroom nodig heeft om informatie te behouden. Een batterij op een chipkaart zou immers niet zo praktisch zijn.
Het gaat hier echter om een variant met beperkte opslagcapaciteit, lang niet genoeg om Windows op te draaien. Bij DRAM zijn de geheugencellen de laatste decennia kleiner geworden waardoor er meer op een geheugenkaart passen. En hoe meer geheugencellen, hoe meer geheugen. Dirk Wouters, computergeheugen-onderzoeker bij IMEC in Leuven, ziet dat bij FeRAM echter niet zo snel gebeuren. “Je hebt een bepaalde stroomsterkte nodig om een FeRAM-geheugencel uit te lezen. Bij kleine cellen is de stroom daar te zwak voor. Een oplossing is om net als bij DRAM de cellen in 3D te vouwen, maar dan komen er weer allerlei materiaal- en temperatuurproblemen om de hoek kijken. Bovendien lekt het materiaal elektronen waardoor ook weer van alles mis gaat.” Onderzoekers Maitri en collega’s hebben een andere aanpak gekozen om die problemen te omzeilen. Dirk Wouter is bekend met de techniek, maar volgens hem stuit ook dit op problemen. “Je hebt andere materialen nodig, waardoor het weer niet kosteneffectief is.” Hij ziet het somber in voor FeRAM.
Concurrenten zijn er genoeg. Een voorbeeld is Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM), in ontwikkeling sinds 1990. Maitri: “Het slaat informatie op met magneten, waardoor het potentieel heel klein kan worden en dus veel geheugen kan bevatten.” Het zou sneller zijn dan huidig DRAM-geheugen, minder stroom verbruiken, evenveel capaciteit hebben, en zijn toestand onthouden als de computer is uitgeschakeld. Maar ook hiervoor geldt: het is in ontwikkeling en heeft nog generaties verbetering nodig om concurrerend te worden. Flashgeheugen, gebruikt in mp3-spelers en usb-sticks, is volgens Levy geen concurrent. “Het is te foutgevoelig en je kunt er maar een beperkt aantal keer op lezen en schrijven. Het is meer geschikt voor lange termijn opslag, als vervanging van de harde schijf.”
Voorlopig moeten we ons behelpen met de tweede keus: de stand-by en de slaapstand. Een Windows-computer in stand-by schakelt alles uit behalve het werkgeheugen; een pc in de slaapstand hevelt het werkgeheugen tijdelijk over naar de harde schijf. Ideaal is dat echter niet. De stand-by bespaart weliswaar elektriciteit, maar vereist nog altijd een constante stroomtoevoer. Daarnaast heeft een computer die ontwaakt uit de slaapstand bijna even lang nodig om paraat te staan als bij een herstart. En dat maakt ons toch weer hongerig naar alternatieven. JdR
Foto Maitri Warusawithana, Cornell University
De atoomstructuur van strontiumtitanaat bovenop silicium
