Новый материал для устройств памяти позволит экономить миллиарды долларов

Богатые электронами соединения (отмечены синим цветом) расположены совсем рядом с бедными частицами соединениями (красные). Пары поддерживают слабые связи с соседями, образуя длинные цепи

Богатые электронами соединения (отмечены синим цветом) расположены совсем рядом с бедными частицами соединениями (красные). Пары поддерживают слабые связи с соседями, образуя длинные цепи
(иллюстрация A. S. Tayi et. al., Nature)

Процесс образования кристаллических структур. Изображения кристаллов, полученные оптическим микроскопом (толщина менее 10 мкм)
Богатые электронами соединения (отмечены синим цветом) расположены совсем рядом с бедными частицами соединениями (красные). Пары поддерживают слабые связи с соседями, образуя длинные цепи
Процесс образования кристаллических структур. Изображения кристаллов, полученные оптическим микроскопом (толщина менее 10 мкм)

В современных компьютерах существуют как энергозависимые, так и не зависящие от электричества устройства хранения информации. Так, данные, записанные на жёстком диске, никуда не исчезают после отключения от питания, благодаря использованию магнитной записи.

Вместе с тем существуют устройства оперативной памяти, которые изготавливаются на основе конденсаторов или триггеров. Они не способны работать без электричества. Поэтому, если случайно или намеренно лишить компьютер энергии, оперативная память "забудет" всю записанную информацию.

Если рассматривать хранение всех этих "временных" данных в масштабах страны, то получается, что на это требуется огромное количество электроэнергии. Согласно недавним подсчётам, американцы суммарно расходуют около $6 миллиардов в год на оплату электроэнергии, затрачиваемой на хранение информации в устройствах оперативной памяти.

Поскольку оперативная память используется повсеместно в электронике, разработчиков во всём мире уже давно волнует вопрос снижения возникающих в связи с этим энергозатрат.

Команде учёных из США и Южной Кореи, по-видимому, впервые удалось решить данную проблему. В статье, опубликованной в журнале Nature, исследователи пишут об уникальном материале, использование которого поможет экономить электричество.

По словам учёных, разработка может заменить в обычном электрическом конденсаторе полупроводникового модуля памяти линейный диэлектрик.

Новый материал обладает сегнетоэлектрическим эффектом, при котором одна его часть накапливает отрицательный заряд, а другая — положительный.
Переключение зарядов на противоположное происходит только при приложении электрического поля, без которого кристалл сохраняет "записанную информацию" в исходном виде на достаточно долгий срок даже без подпитки извне.

Получается, если в классической оперативной памяти постоянно происходит "регенерация" – периодическое считывание и перезапись хранящейся информации (для чего необходим постоянный источник питания), то в случае сегнетоэлектриков энергия требуется только для реального считывания или записи.

Отметим, что сегнетоэлектрики, как органические, так и неорганические, известны учёным давно (более 90 лет). Некоторые даже используются в компьютерах. Однако неорганические сегнетоэлектрики дороги в производстве. Кроме того, все сегнетоэлектрики проявляют эффект при крайне низкой температуре окружающей среды – около -200 °C. А это влечёт дополнительные энергозатраты.

Учёные США и Южной Кореи искали дешёвый органический сегнетоэлектрик и почти случайно создали материал, который сохраняет поляризацию (разделение зарядов) даже при комнатной температуре.

В новом материале молекулы образуют устойчивые кристаллические структуры, способные к межмолекулярному переносу зарядов. В полученных кристаллах происходит обмен электронами, где одни молекулы отдают "лишние" частицы (доноры), а другие их принимают (акцепторы)

Акцептором в данном случае является пиромеллитовый диимид (C10H4N2O4), а донором могут быть нафталин (C10H8), пирен (C16H10) или тетратиафульвален ((H2C2S2C)2).

Молекулы доноры и акцепторы близкорасположенные образуют пары, которые также образуют слабые связи с соседними парами. В результате образуются длинные цепи доноров-акцепторов, легко переключающиеся в состояние с обратной ориентацией зарядов (условно от 0 к 1 или от 1 к 0).

В случае успешного внедрения такого материала в производство, отключение компьютера от электросети не приведёт к потере данных, хранящихся в "оперативке", так как образованные цепи никуда не денутся, пока на них вновь не подействует электрическое поле.

Первые комментарии, касающиеся открытия, уже прозвучали в научной среде. По мнению специалистов университета Токио (University of Tokyo), новый материал имеет большие перспективы и, фактически, является прорывом в решении проблем энергоэффективности.