Statt 200.000: Chinesischer Chip speichert ein Bit mit einem einzigen Elektron

Ein Bit Information kostet heute etwa zweihunderttausend Elektronen. So viel Ladung brauchen die schnellsten DRAM-Chips von Samsung und SK Hynix, damit aus einer Eins nicht versehentlich eine Null wird. Forscher:innen der Fudan-Universität in Shanghai haben diese Zahl nun auf ihr theoretisches Minimum gedrückt: ein einziges Elektron.  Der Chip trägt den Namen Guiyi, zu Deutsch etwa „Rückkehr zur Eins“. Er speichert Daten bei Raumtemperatur mit nur einem Elektron pro Bit, ein Ziel, das in der Halbleiterforschung lange als kaum erreichbar galt.

Ein Senfkorn hält den Berg

Speicherchips funktionieren wie Wasserreservoirs. Ein einzelnes Elektron zu erfassen gleicht dem Versuch, die Wellen eines einzelnen Wassertropfens in einem großen Becken zu messen. Zhous Team löste dieses Problem, indem es die „Reservoirwand“ neu konstruierte: Eine hauchdünne Schicht aus Graphen verhindert, dass das Elektron entweicht, und verstärkt sein schwaches Signal erheblich. Frühere Experimente kamen auf Signale im Bereich weniger Millivolt. Guiyi erreicht 0,5 Volt, das Zehnfache.

Der Name des Verfahrens geht auf eine buddhistische Redewendung zurück, wonach ein Senfkorn den mythischen Berg Sumeru fassen kann und alle großen Wahrheiten letztlich in einem zusammenlaufen. Die Forscher:innen wiesen zudem quantenmechanische Effekte wie Spannungsquantisierung und selbstbegrenzendes Programmieren nach. Beide Phänomene könnten künftig helfen, mehrere Ladungszustände pro Zelle präzise zu lesen und zu schreiben und damit die Speicherdichte eines einzelnen Chips weiter zu steigern, ohne dass zusätzliche Chipfläche nötig wird.

Graphen gilt seit Langem als Kandidat für ultradünne Elektronik, scheiterte in der Speichertechnik bislang jedoch an genau diesem Problem: Ein einzelnes eingefangenes Elektron erzeugte ein Signal, das im Rauschen unterging. Erst die veränderte Reservoirgeometrie von Guiyi macht das Signal robust genug für einen praktischen Chipbetrieb bei Zimmertemperatur, ganz ohne Kühlung auf Tiefsttemperaturen, wie sie viele Quanteneffekte sonst voraussetzen.

KI-Modelle ohne Gedächtnisverlust auf dem Smartphone

Für Endkund:innen liegt der praktische Nutzen vor allem darin, dass große Sprachmodelle künftig direkt auf dem Smartphone laufen könnten, mit minimalem Energieverbrauch und ohne dass die KI mitten im Gespräch den Kontext verliert. Aktuelle Chatbots verbrauchen bei lokaler Ausführung schnell den Akku, weil jedes gespeicherte Bit Tausende Elektronen bindet. Ein Chip, der mit einem Bruchteil dieser Ladung auskommt, verschiebt Rechenlast von großen Rechenzentren zurück auf das Endgerät.

Vom Labor zur Serienreife

Guiyi ist nicht Zhous erster Beitrag zur Speichertechnik. Im vergangenen Jahr stellte sein Team im April PoX vor, den nach eigenen Angaben schnellsten nichtflüchtigen Speicher der Welt. Sechs Monate später folgte Changying, ein Framework zur atomaren Chip-Integration, das PoX mit siliziumbasierter Hardware verbindet und so den weltweit ersten zweidimensionalen Silizium-Hybrid-Flashspeicher ermöglichte.

Zhou plant nun, noch in diesem Jahr ein Unternehmen zu gründen, um Guiyi innerhalb der kommenden fünf Jahre zur Marktreife zu bringen. Zuvor muss die Technologie jedoch die Massenproduktion erreichen. Gelingt das, könnte sie nach Professor Zhou Pengs eigenen Worten gegenüber der South China Morning Post die gesamte Speicherindustrie „aufmischen“.

via China Dailyy