Zie Nieuws

Brein inspireert UT-onderzoekers tot nieuw geheugenmateriaal Niet louter enen en nullen opslaan

Ons brein werkt veel minder zwart-wit dan een typisch computergeheugen dat enen en nullen opslaat: dankzij een grotere variatie in geheugentoestanden kan het sneller rekenen, bij een lager energieverbruik. Onderzoekers van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente hebben nu een ferro-elektrisch materiaal ontwikkeld met een geheugenfunctie die lijkt op die van synapsen en neuronen in het brein: heel veel verschillende geheugentoestanden zijn mogelijk. Ze publiceren erover in het journal Advanced Functional Materials.

Het materiaal dat de basis zou kunnen zijn voor ‘brain-inspired computing’ is lood-zirkonium-titanaat, ook wel PZT: het heeft verschillende aantrekkelijke eigenschappen. Een daarvan is dat het ferro-elektrisch is: je kunt het in een gewenste toestand laten omklappen, waarbij die toestand ook bewaard blijft als er geen elektrisch veld meer is. De geheugenfunctie is daarmee snel, maar niet vluchtig: de toestand blijft behouden. Om computers sneller te laten opstarten, zou zo’n ferro-elektrische geheugen, gecombineerd met de gebruikelijke halfgeleiderchips, ideaal zijn. De UT-onderzoekers hebben nu aan het dunne laagje PZT een laag zinkoxide aangebracht. Bij een heel dunne laag, van 25 nanometer, ontdekten ze dat het omklappen niet alleen van ‘toestand 0’ naar ‘toestand 1’ gebeurt, of andersom. Het blijkt heel goed mogelijk om deelgebiedjes in het kristal te besturen: klappen ze om of niet?

PZT zonder zinkoxide is ferro-elektrisch met twee toestanden, 1 en 0 (figuur boven). Via het laagje zinkoxide van 25 nanometer (figuur onder) is te besturen in welke toestand geschakeld wordt.

Multi-state

Door verschillende ‘schrijftijden’ te hanteren in die deelgebiedjes, zijn netto heel veel toestanden op te slaan die tussen 0 en 1 in liggen. Het lijkt op de manier waarop synapsen en neuronen informatie wegen. ‘Multistate memories’ gekoppeld aan transistoren zouden in staat moeten zijn om veel sneller bijvoorbeeld patronen te herkennen: ons brein heeft daarvoor ook veel minder energie nodig dan een geavanceerde computer. Vergeleken met de snelheden van chips, lijken de schrijftijden lang, maar dankzij veel parallelle geheugens ontstaat krachtige hardware. Er zijn al wel computerprogramma’s die werken zoals het brein, zoals lerende, neurale netwerken, maar de hardware die gewoon nog met enen en nullen werkt, is een beperking. De nieuwe combinatie van PZT en zinkoxide is een eerste stap om ook de hardware te laten werken als het brein.

Het onderzoek is uitgevoerd in de groep Inorganic Materials Science, onderdeel van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente. De groep kijkt ook naar de piëzo-elektrische eigenschappen van PZT: een elektrische spanning kan het materiaal doen uitzetten, of andersom: mechanische druk kan de elektrische spanning doen variëren.

Het paper ‘Multistability in Bistable Ferroelectric Materials toward Adaptive Applications’ door Anirban Ghosh, Gertjan Koster en Guus Rijnders, verschijnt deze week in Advanced Functional Materials. De ‘Early view van het paper’ staat al online.

ir. W.R. van der Veen (Wiebe)
Persvoorlichter (aanwezig ma-vr)