• Razendsnel geheugen met stuiterende cellen

    Snel computergeheugen is goud waard. Niet voor niets wordt er volop onderzoek gedaan naar materialen waarmee je razendsnel data kunt opslaan. Maar praktisch zijn ze nog niet.

    Digitale dataopslag

    De meeste pc’s en telefoons gebruiken een zogenaamd flashgeheugen. Informatie wordt opgeslagen in rijen cellen die wel of niet elektrisch geladen zijn – en daarmee een nul of een één vertegenwoordigen.

    Wil je de data veranderen, dan kost dat niet alleen veel energie, ook moet de hele rij cellen opnieuw geschreven worden. En dat kost tijd.

    Gehoopt wordt dat faseovergangsmaterialen een nieuwe generatie computergeheugen gaan brengen. Hierin zit  de informatie niet in de elektrische lading van de cel, maar in de manier waarop de atomen gerangschikt zijn. Ordelijk, in de kristallijne fase. Of kriskras door elkaar – in de amorfe fase. De een vertegenwoordigt een één, de andere een nul.

    Het wisselen van de ene toestand naar de andere kan snel – veel sneller dan bij de huidige geheugens – en dat maakt het spul interessant voor fabrikanten van bijvoorbeeld Samsung of Apple. Maar er is een eigenschap die regulier flashgeheugen niet heeft: je kunt ook de informatie in één enkele cel veranderen, zonder de hele rij opnieuw te hoeven schrijven. ‘Gegevens laden, gegevens wegschrijven, alles zal minstens duizend keer sneller gaan’, zegt Eising.

    We hebben de grens zo ongeveer bereikt. De geheugencellen in onze computers en telefoons zijn zo gekrompen, dat nog kleiner niet meer mogelijk is zonder in de problemen te komen. De elektrische lading – en daarmee de opgeslagen informatie – lekt weg door flinterdunne celwandjes. ‘Onderzoekers passen trucjes toe om dit verlies te beperken, maar lopen tegen fundamentele limieten aan’, zegt technisch natuurkundige Gert Eising.

    En dus is de zoektocht naar ander en sneller geheugen in volle gang. En Eising is één van de mannen die meeloopt in de race. Hij promoveert deze week op een onderzoek naar een manier om de opslagcapaciteit van zogenaamde ‘faseovergangsmaterialen’ zo efficiënt te maken dat de consument er iets aan heeft.

    Nieuwe generatie

    Want op dit moment is dat nog niet het geval. Faseovergangsmaterialen gelden als dé nieuwe generatie geheugens. Maar wil de consument er iets mee kunnen, dan moet het geheugen minimaal tien jaar meegaan. En de problemen die zich kunnen voordoen bij geheugenopslag, moeten ook alvast worden getackled. Het geheugen moet kunnen krimpen. En daar komt Eising in beeld.

    Het probleem? Faseovergangsmaterialen bestaan eigenlijk uit twee toestanden: welke dat is, wordt bepaald door de rangschikking van atomen (zie kader). Maar je moet het natuurlijk van de ene fase in de andere kunnen krijgen. En als het om de ordening van atomen gaat, dan doe je dat door verhitting.

    Hoe warmer je het materiaal maakt, hoe vrijer de atomen zich kunnen bewegen om zichzelf in een ordelijke toestand te schikken. ‘Op een willekeurig moment komen verschillende atomen bij elkaar in een kristal. Andere atomen sluiten aan en dan groeit het geheel steeds verder uit. Netjes en geordend.’

    Wegwerptelefoons

    Wil je het materiaal terugschakelen naar de wanordelijke, amorfe fase, maak je het nóg warmer, zodat het smelt en de atomen weer kriskras door elkaar stuiteren. En dan koel je het razendsnel af. ‘Als je dat doet met een miljoen graden per seconde, dan bevries je de vloeistof in die wanordelijke fase.’

    Maar al dat verhitten en snel afkoelen is niet goed voor de levensduur van je materiaal. Zowel Samsung en Nokia gebruiken nu al faseovergangsmaterialen voor dataopslag, maar alleen voor wegwerptelefoons. ‘De eis voor grootschalig consumentgebruik is tien jaar.’

    Kleine kristallen klonteren samen in een kristalstructuur. Steeds meer atomen sluiten zich hierbij aan, waardoor de kristallen groeien.

    Daar komt nog bij dat het wisselen van de ene toestand naar de andere verhoudingsgewijs veel energie kost. ‘Bij het wisselen van toestand wordt een geheugencel niet overal precies evenveel verhit of afgekoeld. Een cel bestaat daardoor vaak niet uit een enkele toestand, maar uit een combinatie, waarbij de ene helft gemakkelijker stroom geleidt dan de andere. Hierdoor treedt er een spanningsverschil op het grensvlak, dat je met een sluis kunt vergelijken.
    Als een boot een sluis wil passeren, moet het waterpeil aan beide kanten van de sluisdeur gelijk zijn. Hetzelfde geldt voor fasegangsmeterialen. Wil je nu de hele cel verhitten om de toestand te veranderen, dan moet je eerst de spanning in beide toestanden gelijk krijgen. En daarvoor is een minimum aan stroom nodig.’

    Koffer

    Met de huidige technologie is dat geen probleem, want het spanningsverschil is miniem. ‘In de telefoons van nu is de stroom die hiervoor gebruikt wordt honderd keer groter dan die nodig is om het verschil op te heffen.’
    Maar als als de geheugencellen heel klein worden – en dat worden ze – en je dus maar weinig stroom nodig hebt om de cel te verhitten, gaat het tellen.

    Eising heeft al wel een idee over de richting waarin de oplossing gevonden kan worden: druk uitoefenen op het materiaal. ‘Als je op materiaal drukt, dan wil het kleiner worden omdat de spanning verdwijnt. De ordelijke toestand neemt van nature minder volume in: vergelijk het met de inhoud van je koffer voordat je met vakantie gaat en als je teruggaat. Dus door druk uit te oefenen op het fasovergangsmateriaal, hoeven we minder warmte toe te voegen om het materiaal te veranderen. Voor geheugencellen betekent dat dat er minder stroom naar toe hoeft te gaan om te schakelen.’

    Zuiniger dus. En sneller.

    Knop indrukken

    Eising voorziet nog grotere veranderingen op het gebied van computergeheugen. ‘De mogelijkheden van faseovergangsmaterialen raken inmiddels de ondergrens van wat het werkgeheugen in je computer kan. Binnenkort werk je met een gecombineerd werk- en opslaggeheugen, waardoor je computer de data niet meer in het werkgeheugen hoeft te laten tijdens het opstarten. Dan is het knop indrukken, je computer aan en kun je aan de slag’.