Memorie del futuro: raggiunti 10 miliardi di cicli di scrittura, 100 volte più resistenti

Una nuova ricerca sui materiali ferroelettrici potrebbe rimuovere uno dei principali ostacoli all’impiego delle memorie di nuova generazione nei sistemi ad alte prestazioni.

Un gruppo di ricercatori di Xidian University, City University of Hong Kong e Fudan University ha dimostrato oltre 10 miliardi di cicli di scrittura in dispositivi basati su nitruro di alluminio e scandio, noto come AlScN.

Il risultato affronta un limite che finora ne aveva frenato l’impiego pratico: la durata dopo ripetuti cicli di commutazione elettrica. Secondo lo studio pubblicato su Science, il miglioramento deriva dal controllo dei difetti atomici del materiale, in particolare delle vacanze di azoto. La scoperta potrebbe rendere più concreta l’ipotesi di utilizzare questi ferroelettrici per memorie rapide e a basso consumo destinate anche ai futuri sistemi AI.

Il limite dei ferroelettrici AlScN

I ferroelettrici wurtzite sono materiali cristallini polarizzati che possono cambiare stato sotto l’azione di un campo elettrico. Tra quelli studiati per applicazioni di memoria c’è l’AlScN, interessante perché combina un’elevata polarizzazione con tempi di commutazione rapidi e può essere integrato nei processi produttivi dei semiconduttori già esistenti. Il problema finora era la resistenza ai cicli ripetuti di scrittura: precedenti dispositivi realizzati con questo materiale mostravano un degrado dopo circa 100 milioni di operazioni.

Il nuovo risultato nasce dall’analisi di ciò che accade all’interno del materiale durante la commutazione. I ricercatori hanno osservato il ruolo delle vacanze di azoto, cioè siti del reticolo cristallino nei quali manca un atomo di azoto. Il difetto, di per sé, non rappresenta necessariamente il problema principale. La difficoltà deriva dalla sua mobilità: durante i cicli elettrici, queste vacanze possono spostarsi e aggregarsi, favorendo la formazione di percorsi attraverso i quali aumenta la dispersione di corrente.

Il gruppo ha quindi modificato la struttura del dispositivo per limitare il movimento di questi difetti e rallentare il deterioramento. La dimostrazione ha superato i 10 miliardi di cicli di scrittura, circa cento volte il limite precedente riportato per la stessa tecnologia secondo le fonti che hanno rilanciato lo studio. Il risultato è rilevante perché la durata rappresenta uno dei requisiti fondamentali per una memoria destinata a funzionare continuamente all’interno di server e sistemi di calcolo.

Una memoria pensata anche per i futuri sistemi AI

L’interesse per l’AlScN non dipende soltanto dalla resistenza. I ferroelettrici wurtzite possono offrire commutazione rapida, elevata polarizzazione e potenzialmente bassi consumi energetici, caratteristiche che li rendono interessanti come base per memorie non volatili. La ricerca non dimostra però l’esistenza di una nuova RAM commerciale pronta per essere installata nei server: il risultato riguarda dispositivi e strutture sperimentali e dovrà essere valutato anche sotto altri aspetti, tra cui densità, uniformità, produzione su larga scala e affidabilità nel tempo.

Il collegamento con l’Intelligenza Artificiale nasce dalle esigenze crescenti dei sistemi che elaborano grandi quantità di dati. Server dedicati all’AI richiedono memoria con elevata velocità, capacità adeguata e consumi contenuti. Una tecnologia ferroelettrica sufficientemente affidabile potrebbe quindi trovare spazio in future architetture di memoria, soprattutto dove la frequenza delle operazioni di scrittura rende critica l’usura dei dispositivi.