Peneliti Mengungkap Konsep Memori Berbasis Cairan untuk Penyimpanan Massal

Kelasteknisi.com - Para peneliti di IMEC telah mengungkapkan dua skema yang diusulkan untuk menerapkan memori berbasis cairan. Bisakah mereka menyediakan pengganti masa depan untuk penyimpanan massal flash NAND?

Didorong oleh meningkatnya permintaan untuk perangkat elektronik kompak, ada pertumbuhan yang signifikan di pasar memori semikonduktor. Hal ini terutama berlaku untuk memori flash NAND, karena transisi teknologi penyimpanan massal dari hard disk drive (HDD) ke solid-state drive (SSD). Untuk prosesor modern, kemampuan memori untuk memindahkan data dalam jumlah besar dengan kecepatan tinggi sangatlah penting. Tanpa kemampuan ini, prosesor tidak dapat bekerja secara maksimal.

Di antara semua teknologi memori, flash NAND adalah teknologi penyimpanan online dan nearline yang paling banyak digunakan karena menawarkan latensi dan konsumsi daya terendah. Para peneliti telah meningkatkan kepadatan bit solusi penyimpanan flash NAND secara konsisten selama bertahun-tahun. Namun, penskalaan flash NAND ini diperkirakan akan segera melambat.

Flash NAND adalah teknologi terdepan untuk SDD saat ini, seperti SSD NVMe P3 Gen3 Krusial ini. Gambar: Micron

Saat penskalaan memori flash NAND mulai jenuh, konsep penyimpanan baru sedang diselidiki, termasuk Phase Change Memory ( PCM ), Resistance RAM ( ReRAM ), Ferroelectric RAM ( FRAM ), Magnetic RAM (MRAM), Spin Transfer Torque MRAM ( STT MRAM ) dan memori karbon-nanotube (NRAM). Teknologi baru ini dapat menggantikan dan melengkapi solusi penyimpanan yang ada dalam hal latensi dan kepadatan bit.

Menawarkan beberapa pendekatan alternatif, peneliti IMEC mengusulkan dua konsep penyimpanan berbasis cairan baru untuk aplikasi penyimpanan nearline dengan kepadatan sangat tinggi. Solusi baru ini dapat membuat data yang diarsipkan seperti email, multimedia, dan dokumen besar lainnya tersedia bagi pengguna dalam hitungan detik. IMEC adalah pusat R&D untuk teknologi nano dan digital.

Tantangan Penskalaan Memori Flash NAND

Dalam memori flash NAND, transistor gerbang-mengambang dihubungkan secara seri, dan garis bit ditarik rendah hanya ketika semua baris kata tinggi. Semua sel memori ini diatur dalam array dua atau tiga dimensi pada titik silang kata-kata. Perangkat akses—biasanya transistor—menghubungkan elemen penyimpanan ke kabel yang diperlukan untuk membaca dan menulis sel memori. Terlepas dari transistor tambahan ini, pengurangan kabel ground dan jalur bit memungkinkan kepadatan bit dan kapasitas penyimpanan yang lebih tinggi.

Namun, konfigurasi ini dengan satu perangkat akses untuk setiap elemen penyimpanan membatasi kepadatan bit. Dalam HDD, lebih sedikit perangkat akses yang terhubung ke array memori yang relatif besar, memungkinkan kepadatan bit yang lebih tinggi dan biaya per bit yang lebih rendah daripada memori flash NAND. Tetapi mereka lebih lambat dan kurang hemat daya karena mekanisme pembacaan yang terpasang secara mekanis.

Dengan mempertimbangkan keuntungan dari kedua teknologi ini, konsep baru dapat ditemukan untuk membuat memori dengan kepadatan sangat tinggi.

Memori Berbasis Cairan IMEC

Peneliti IMEC mengusulkan dua memori berbasis cairan baru untuk penyimpanan nearline: memori koloid dan elektrolitik.

Memori koloid terdiri dari koloid dari dua atau lebih jenis nanopartikel di dalam reservoir. Reservoir melekat pada kapiler, di mana nanopartikel dimasukkan. Informasi dikodekan dalam bentuk urutan di mana partikel dimasukkan ke dalam kapiler. Nanopartikel dapat dipengaruhi secara selektif oleh elektroda yang terletak di pintu masuk setiap kapiler. Sirkuit CMOS mengontrol susunan elektroda dan menangani setiap elektroda satu per satu.

Ilustrasi konsep memori koloid. Gambar: IMEC

Untuk konsep ini, para peneliti mengeksplorasi dielektroforesis sebagai mekanisme penulisan, di mana medan listrik bolak-balik melintasi elektroda memberikan gaya pada nanopartikel. Sifat gaya (menarik atau menolak) tergantung pada jenis nanopartikel dan frekuensi medan listrik. Para peneliti menyarankan bahwa proses penulisan selektif dapat dibuat dengan menerapkan frekuensi yang berbeda.

Diagram konsep memori elektrolitik. Gambar: IMEC

Sama seperti memori koloid, memori elektrolitik memanfaatkan reservoir cairan dan susunan kapiler. Di sini, ion logam dilarutkan dalam cairan. Untuk konsep ini, ada beberapa cara untuk mengkodekan informasi. Para peneliti melaporkan bahwa satu kemungkinan adalah bahwa 1 nm ion logam dapat digunakan untuk mengkode 0, sedangkan 2 nm ion dapat menjadi biner 1.

Para peneliti IMEC membuat memori elektrolitik dengan sumur nano paralel dengan diameter 80-150 nm dan kedalaman 300 nm sebagai array. Mereka berhasil mendemonstrasikan kemampuan membaca dan menulis memori menggunakan elektroda berukuran mm dan m.

Bukti konsep memori elektrolitik. Ini menunjukkan susunan mikroelektroda dengan elektroda dengan ukuran berbeda dalam kisaran mm hingga m. Gambar IMEC

Adopsi Industri Memori Berbasis Cairan

Memori berbasis cairan baru sedang dalam tahap penelitian eksplorasi, terutama memori koloid. Para peneliti IMEC saat ini bekerja pada fine-tuning konsep dan memberikan bukti pertama dari prinsip memori koloid pada skala nanometer.

Para peneliti percaya bahwa upaya penskalaan dalam teknologi ini dapat membuatnya sebanding dengan flash NAND 3D. Namun, untuk itu, peneliti harus mampu membuat kapiler dengan aspek rasio masing-masing sekitar 400:1 dan 165:1 untuk memori koloid dan elektrolitik. Selain itu, untuk menjadi solusi penyimpanan komersial yang layak, teknologi tersebut harus memiliki waktu respons, bandwidth, daya tahan baca dan tulis yang optimal, konsumsi energi, dan siklus hidup yang optimal. Para peneliti IMEC berencana untuk melakukan evaluasi ini dalam penelitian lebih lanjut.