相变材料提高了计算机的速度极限

通过用相变材料代替硅，最新研究表明，计算机处理信息的速度比当前模型快1000倍。

可以通过用“相变材料”（PCM）代替硅来克服计算机处理器和存储器当前的大小和速度限制，后者可以在具有不同电态的两个结构相之间可逆地切换-一个晶体状态和一个导电状态，另一个状态玻璃状和绝缘-十分之一秒。

基于PCM的设备的建模和测试表明，可以使用超短电压脉冲的特定组合在非易失性存储单元中执行逻辑处理操作，而这对于基于硅的设备是不可能的。

在这些新设备中，逻辑操作和内存位于同一位置，而不是像在基于硅的计算机中一样位于同一位置。这些材料最终可以使处理速度比目前的普通笔记本电脑快500到1,000倍，同时使用更少的能源。结果发表在《美国国家科学院院刊》上。

该处理器由剑桥大学，新加坡A * STAR数据存储研究所和新加坡科技设计大学的研究人员设计，使用一种基于硫属化物玻璃的PCM，可以在极少的时间内熔化和重结晶。使用适当的电压脉冲可以达到半秒（十亿分之一秒）。

大多数计算机，移动电话和平板电脑执行的计算都是通过基于硅的逻辑设备执行的。用于存储这种计算结果的固态存储器也是基于硅的。负责这项研究的剑桥大学化学系的斯蒂芬·埃利奥特（Stephen Elliott）教授说：“但是，随着对更快计算机的需求不断增长，我们正在迅速达到硅功能的极限。

以前，提高计算机功能的主要方法是通过逐渐减小设备的大小来增加其包含的逻辑设备的数量，但是当前设备体系结构的物​​理限制意味着这种情况很快变得几乎不可能继续。

当前，最小的基于硅的逻辑和存储设备的大小约为20纳米-比人的头发大约薄4000倍-并分层构造。随着器件越来越小以增加其在芯片上的数量，最终各层之间的间隙将变得如此之小，以至于存储在闪存非易失性存储器件某些区域中的电子将能够隧穿出电子器件。设备，导致数据丢失。PCM设备可以克服这一尺寸缩放限制，因为已经证明它们的功能可低至约2纳米。

在不增加逻辑设备数量的情况下提高处理速度的另一种方法是增加每个设备可以执行的计算数量，这是使用硅无法实现的，但是研究人员证明了PCM逻辑/内存设备可以进行多个计算。

PCM最早于1960年代开发，最初用于光学存储设备，例如可重写DVD。现在，它们开始用于电子存储应用，并开始在某些智能手机中取代基于硅的闪存。

最近被证明可以执行内存内逻辑的PCM器件确实有缺点：当前，它们无法以与硅相同的速度执行计算，并且在开始的非晶相中缺乏稳定性。

但是，剑桥和新加坡的研究人员发现，通过反向执行逻辑操作过程（从结晶阶段开始，然后融化单元中的PCM以执行逻辑操作），材料不仅更加稳定而且能够执行操作快得多。

现有PCM的固有开关速度或结晶速度约为10纳秒，使其适合于替换闪存。通过将速度进一步提高到不到一纳秒（如剑桥大学和新加坡研究人员在2012年所证明的那样），他们有一天可以用一种非持续更新的计算机动态随机存取存储器（DRAM）来代替它，而该存储器需要不断地更新。易失性PCM更换。

在基于硅的系统中，信息会乱七八糟，浪费时间和精力。该论文的主要作者，新加坡科技设计大学的戴斯蒙德·洛克博士说：“理想情况下，我们希望信息可以在同一位置生成和存储。”“硅是瞬态的：信息生成，传递并必须存储在其他地方。但是，使用PCM逻辑设备，信息就可以保留在生成信息的地方。”

“最终，我们真正想做的是用基于PCM的新型非易失性设备代替计算机中的DRAM和逻辑处理器，” Elliott教授说。“但是，为此，我们需要接近一纳秒的切换速度。当前，刷新DRAM在全球范围内泄漏大量能量，这在经济和环境上都是昂贵的。更快的PCM切换时间将大大减少这种情况，从而使计算机不仅速度更快，而且更加“环保”。

该研究由英国工程和物理科学研究委员会（EPSRC）部分资助。

出版物：Desmond Loke等人，“由熔化过程驱动的超快相变逻辑器件”，PNAS，第1卷，第1期。 111号2014年3月37日；土井：10.1073 / pnas.1407633111

图像：奥利弗·哈蒙德（Oliver Hammond）