Un nuovo chip di memoria sviluppato al Science Tokyo potrebbe cambiare radicalmente il modo in cui smartphone, wearable e sistemi di intelligenza artificiale gestiscono l’energia. Sembra quasi un paradosso, eppure un gruppo di ricercatori è riuscito a dimostrare che, riducendo le dimensioni di un componente elettronico fino a scale estreme, le prestazioni migliorano invece di peggiorare. Questo va contro una delle convinzioni più radicate nel mondo dell’elettronica: più piccolo significa più problemi. E invece no, almeno non stavolta.

Il punto di partenza è un problema che chiunque conosce bene. Lo smartphone si scalda dopo un uso intenso, la batteria crolla proprio quando serve di più. Gran parte di questa inefficienza dipende dai circuiti elettronici e dalla memoria interna, che consumano energia e generano calore durante il funzionamento. La memoria di un computer, al livello più elementare, conserva informazioni sotto forma di 0 e 1 controllando il passaggio della corrente attraverso un materiale. Se fosse possibile progettare memorie che richiedono molta meno elettricità, l’impatto su telefoni, computer e dispositivi connessi sarebbe enorme.

L’ossido di afnio e la giunzione ferroelettrica a tunnel

L’idea alla base di questo chip di memoria non è nuova. Risale addirittura al 1971, quando venne proposta la cosiddetta giunzione ferroelettrica a tunnel (FTJ). Si tratta di un tipo di memoria che sfrutta la ferroelettricità, cioè la capacità di un materiale di cambiare la propria polarizzazione elettrica interna. Quando questa polarizzazione viene invertita, cambia anche la facilità con cui la corrente scorre, e questo consente di memorizzare dati. Il problema, però, è sempre stato lo stesso: i materiali tradizionali usati per queste memorie perdevano efficacia quando venivano rimpiccioliti. La miniaturizzazione, in pratica, li sabotava.

La svolta è arrivata nel 2011, quando si è scoperto che l’ossido di afnio, un materiale già ampiamente utilizzato nell’industria dei semiconduttori, riesce a mantenere la propria polarizzazione anche in spessori incredibilmente sottili. Partendo da questa scoperta, il professor Yutaka Majima e il suo team hanno costruito un dispositivo di memoria largo appena 25 nanometri, circa un tremillesimo dello spessore di un capello umano.

Quando più piccolo funziona meglio

Ridurre un chip di memoria a queste dimensioni porta con sé una sfida enorme. La corrente elettrica tende a disperdersi attraverso i confini tra i minuscoli cristalli del materiale, e questo fenomeno ha sempre rappresentato un muro invalicabile per la miniaturizzazione. La mossa brillante dei ricercatori è stata controintuitiva: invece di aggirare il problema, hanno reso il dispositivo ancora più piccolo, riducendo l’impatto stesso di quei confini cristallini. In più, hanno sviluppato un nuovo metodo di fabbricazione che prevede il riscaldamento degli elettrodi, i quali assumono naturalmente una forma semicircolare. Il risultato è una struttura più vicina a un singolo cristallo, con meno punti deboli dove la corrente può fuggire.

Il team ha così ottenuto un dispositivo ad alte prestazioni che, ed è questo il dato clamoroso, migliora man mano che diventa più piccolo. Se questa tecnologia dovesse arrivare sul mercato, le conseguenze sarebbero notevoli. Dispositivi come gli smartwatch potrebbero funzionare per mesi con una sola ricarica. Le reti di sensori connessi non avrebbero più bisogno di sostituzioni frequenti delle batterie. E nel campo dell’intelligenza artificiale, questo tipo di memoria potrebbe garantire elaborazioni più veloci con consumi drasticamente ridotti. Il fatto che l’ossido di afnio sia già compatibile con i processi produttivi attuali rende il passaggio dalla ricerca alla produzione reale meno complicato del solito. Resta da vedere quanto rapidamente l’industria deciderà di scommettere su questa strada, ma le premesse sono davvero promettenti.

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