Сотрудники Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН исследуют потенциал квантовых точек для создания инновационных устройств памяти. Внедрение этой технологии в перспективе должно привести к улучшению параметров памяти, включая увеличение времени хранения данных без энергоснабжения, расширение числа циклов записи и повышение производительности. Это, в конечном счете, позволит приблизиться к разработке универсальной памяти. Статья коллектива из ИФП СО РАН опубликована в The Journal of Physics and Chemistry of Solids .
Квантовые точки – это полупроводниковые структуры или нанокристаллы, размер которых не превышает 20 нанометров и состоит из нескольких тысяч атомов. Варьируя состав материалов и размеры квантовых точек, исследователи могут изменять их электрические, тепловые, оптические и другие характеристики. За исследования и открытие квантовых точек в 2023 году американским ученым была присуждена Нобелевская премия по химии.
Универсальная память сочетает в себе функции энергонезависимого хранения данных, подобно флеш-памяти или жестким дискам, и возможности оперативной памяти RAM, обеспечивающие высокую скорость обработки информации. Один из подходов к созданию универсальной памяти – разработка флеш-памяти на основе массива самоорганизованных квантовых точек, где информация сохраняется в виде заряда. Исследования в этой области сосредоточены на создании квантовых точек, характеристики которых соответствуют требованиям к универсальной памяти. В частности, ученые ищут материалы, позволяющие формировать квантовые точки с максимальной энергией локализации электронов. Это необходимо для гарантированного длительного хранения данных в каждой ячейке памяти.
«Существуют различные стратегии разработки универсальной памяти, призванной заменить традиционную флэш-память, которая в настоящее время широко используется в большинстве вычислительных устройств. Мы с коллегами выбрали подход, основанный на использовании квантовых точек для хранения заряда в архитектуре, схожей с флэш-памятью. Оперативная память предназначена для временного хранения данных во время работы вычислительного устройства и не может функционировать автономно, поскольку требует постоянного энергоснабжения. Разработчики предполагают, что универсальная память позволит выполнять вычисления непосредственно внутри нее, без необходимости использования дополнительных процессоров. Это должно привести к значительному сокращению времени обработки информации по сравнению с существующими технологиями. Квантовые точки обладают значительным потенциалом в качестве основы для создания нового поколения памяти, отметил старший научный сотрудник ИФП СО РАН, кандидат физико-математических наук Демид Суад Абрамкин.
Квантовые точки культивируются исследователями в лабораторных условиях института, применяя методы молекулярно-лучевой эпитаксии. В высоковакуумной камере, где располагаются подложка и нагреватель, происходит испарение металлов – физики из Новосибирска используют алюминий и галлий. Помимо металлов, на подложку воздействуют такие элементы, как азот, фосфор и сурьма. Получающиеся полупроводниковые соединения при определенных условиях формируют нанокристаллы – квантовые точки. Различие в свойствах материала квантовой точки и окружающих слоев полупроводников позволяет захватывать электроны в квантовых точках. В настоящее время новосибирская группа ученых под руководством Демида Суада Абрамкина сконцентрировала усилия на создании самоорганизованной системы квантовых точек из нитрида галлия в матрице нитрида алюминия. Расчеты, представленные в статье 2025 года, демонстрируют, что эти структуры обладают значительной энергией локализации электронов (1,5 эВ и выше). Этого вполне достаточно для энергонезависимого хранения заряда в течение десяти лет.
«В настоящее время основное внимание в нашей работе уделяется расчетам и вычислениям, что определяет ее фундаментальный характер. До этапа создания первого прототипа предстоит провести значительный объем исследований. Новые технологии в области памяти, поиск альтернативных типов памяти и разработка универсальной памяти обладают потенциалом для кардинального изменения компьютерной архитектуры. Создание универсальной памяти имеет ключевое значение для суперкомпьютеров и квантовых компьютеров, поскольку для их функционирования требуется значительное количество энергии. Повышение скорости обработки информации, увеличение числа циклов перезаписи и энергонезависимость являются важнейшими характеристиками современных компьютерных систем. Что касается более распространенных устройств, то универсальная память может существенно сократить энергопотребление мобильных телефонов, что приведет к значительному увеличению времени автономной работы без подзарядки», — отметил ученый.
Данные сведения предоставлены Управлением по популяризации и освещению научных достижений СО РАН