[論文レビュー] Energy efficient manipulation of topologically protected states in non-volatile ultrafast charge configuration memory devices

Anže Mraz, Rok Venturini+14 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2021

Advanced Memory and Neural Computing参考文献 8被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、2次元電子系におけるトポロジカルに保護された電子結晶領域を介してデータを記録する、電荷配置メモリ（CCM）デバイスを紹介する。このデバイスは、非揮発的で、11 ps未塔の超高速かつエネルギー効率の高いスイッチング（1ビットあたり2.2 fJ未塔）を実現する。このメカニズムは、電荷注入によって誘発される電子結晶の融解と再配置に依存し、磁気バブルメモリに類似したトポロジカルな欠陥に起因する準安定状態を示す。

ABSTRACT

Non-volatile magnetic storage, from 1940s magnetic core to present day racetrack memory and magnetic anisotropy switching devices rely on the metastability of magnetic domains to store information. However, the inherent inefficiency of converting the information-carrying charge current into magnetization switching sets fundamental limitations in energy consumption. Other non-magnetic non-volatile memories such as memristors, ferroelectric memory and phase change memory devices also rely on energetically relatively costly crystal structural rearrangements to store information. In contrast, conventional electronic charge states in quantum dots for example, can be switched in femtoseconds with high efficiency, but any stored information dissipates rapidly. Here we present a radically different approach in the form of a charge-configuration memory (CCM) device that relies on charge-injection-driven electronic crystal melting and topological protection of the resulting electronic domain configurations of a two-dimensional electronic crystal to store information. With multiprobe scanning tunneling microscopy (STM) we show microscopically, within an operational device, how dislocations in the domain ordering lead to metastability by a mechanism that is topologically equivalent to magnetic bubble memory. The devices have a very small switching energy (<2.2 fJ/bit), ultrafast switching speed of <11 ps and operational range over more than 3 orders of magnitude in temperature (<250 mK ~ 190 K). Together with their simple functionality, a large resistance switching ratio, straightforward fabrication and impressive endurance, CCM devices introduce a new memory paradigm in emerging cryo-computing and other high-performance computing applications that require ultrahigh speed and low energy consumption.

研究の動機と目的

• 磁気ドメインのスイッチングや構造的相転移に依存する従来の非揮発性メモリのエネルギー非効率性を克服すること。
• 電子的電荷状態の高速性とトポロジカル保護による非揮発性を併せ持つメモリ技術を開発すること。
• 2次元電子結晶内のトポロジカル欠陥を用いて、スケーラブルで低エネルギーかつ超高速なメモリデバイスを実証すること。
• シンプルでプロセスに優れた構造において、高い耐久性と高い抵抗スイッチング比を達成すること。
• エネルギー散逸を最小限に抑えた冷却コンピューティングおよびハイパフォーマンスコンピューティングのための新しいメモリパラダイムを確立すること。

提案手法

• 2次元電子系における電子結晶の融解と再配置を引き起こすために、多プローブ走査トンネル顕微鏡（STM）を用いて局所的に電荷を注入する。
• 電子ドメイン秩序における不履歴（dislocations）によるトポロジカル保護を用いて、情報保持状態を安定化する。
• Wigner結晶から無秩序な電子状態への電荷注入駆動型転移に依存し、その後、新たな準安定配置に再秩序化する。
• 複数のデバイスで10^4を超える抵抗スイッチング比を測定し、明確な信号対比を示している。
• 広い温度範囲（250 mK ～ 190 K）で動作可能であり、トポロジカル状態の強靭性と安定性を示している。
• 磁気バブルメモリのメカニズムを模倣するためのトポロジカル欠陥工学を用い、連続的なエネルギー供給なしに非揮発的記憶を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元電子系におけるトポロジカルに保護された電子ドメイン構成は、安定的で非揮発的なメモリ状態として機能できるか？
• RQ2 実用デバイスにおいて、このようなトポロジカルに保護された状態をスイッチングするために必要な最小エネルギーはどの程度か？
• RQ3 非揮発性と低エネルギー消費を維持したまま、これらの状態をどの程度の速さで操作できるか？
• RQ4 スイッチングエネルギーと速度を、構造的相転移や磁気的秩序化からどれだけ分離できるか？
• RQ5 このようなシステムは、シンプルなプロセスと運用で、高い耐久性と大きな抵抗対比を達成できるか？

主な発見

• CCMデバイスは、1ビットあたり2.2 fJ未塔のスイッチングエネルギーを達成し、従来の非揮発性メモリよりも顕著に低い。
• 11 ps未塔の上昇時間で超高速スイッチングが実証され、1秒あたり1テラビット未塔の動作が可能である。
• 抵抗スイッチング比が10^4を超えることを示し、明確で測定可能な信号対比がある。
• 電子結晶構造内の不履歴によるトポロジカル保護が情報の安定化を実現し、磁性材料を用いないが、磁気バブルメモリに類似した動作を再現する。
• 動作温度範囲が3桁以上（250 mK ～ 190 K）にわたり、冷却条件下でも強靭性を示している。
• 高い耐久性と簡素なプロセスを備えており、冷却コンピューティング用途におけるスケーラビリティと実用的妥当性を示唆している。