Collaborative Research Center 917 : Resistively Switching Chalcogenides for Future Electronics : Structure, Kinetics, and Device Scalability : Final report : 2019/2-2020-2021-2022-2023/1

Abstract

The goal of SFB 917 has been the development of novel nanoswitches that can be reproducibly and reversibly changed between two states on very short time and length scales. Such nanoswitches can enable new storage and memory devices as well as neuro-inspired architectures for information technology. In the third and final funding period of SFB 917 we have witnessed and contributed to three major trends. The exponential growth in the demand for data storage and processing has continued. Hardware improvements are therefore urgently needed to meet the increased demands for data storage and processing as well as the related increase in energy consumption. SFB 917 strives to realize novel storage devices by exploiting the full potential of chalcogenide-based nanoswitches. Yet, it has become increasingly clear in the last few years, that improvements in device performance alone are insufficient to deal with the exponential growth mentioned above. The advance of Large Language Models (LLMs) like ChatGPT and related software has produced a further increase in data processing related energy consumption. This is a major challenge considering the expected further increase of professional and private usage of such machine learning tools. To minimize the related energy consumption, particularly energy-efficient software and hardware developments are mandatory. Within SFB9917, we have this intensified our efforts to work on effects related to a reduction in energy consumption. While energy-efficient devices can help, an improvement in hardware architecture offers significantly more leverage. We have thus explored the potential of chalcogenide based nano-switches in neuro-inspired computer architectures. To this end, several new large-scale research projects have been initiated (NeuroSys and NeuroTec), which extend our research on these devices in increasingly more complex architectures, offering new opportunities to harvest the findings of SFB 917 in new applications. To tailor chalcogenide-based nano-switches, major advances in instrumentation as well as an in-depth understanding of the origin of underlying phenomena and unconventional properties in these materials have been mandatory. Challenges included the characterization of switching in these materials on nanosecond time and nanometer length scales. Sophisticated tools have been built and utilized. Understanding unconventional properties are required building a bridge between concepts of inorganic chemistry and material properties leading to novel treasure maps which help to identify and tailor chalcogenides for specific applications. These successes are described in detail in the present report. To demonstrate that these findings are also relevant for industry, close cooperation with industrial partners has been established to ensure that the findings made within SFB 917 can also be implemented on the shortest possible time scales. Das Ziel des SFB 917 war die Entwicklung neuartiger Nanoschalter, die auf sehr kurzen Zeit- und Längenskalen zwischen zwei Zuständen geschaltet werden können. Solche Nanoschalter ermöglichen die Realisierung neuer Speicherbauelemente sowie neuroinspirierte Architekturen für die Informationstechnologie. In der dritten und letzten Förderperiode des SFB 917 haben wir drei wichtige Trends mitgestaltet. Der exponentielle Anstieg des Bedarfs an Datenspeicherung und -verarbeitung hat sich fortgesetzt. Hardwareverbesserungen sind daher dringend erforderlich, um den gestiegenen Anforderungen an die Datenspeicherung und -verarbeitung gerecht zu werden sowie dem damit verbundenen erhöhten Energieverbrauch möglichst zu reduzieren. Der SFB 917 strebt die Entwicklung neuartiger Speicherbauelemente an, indem er das volle Potenzial von Nanoschaltern auf Chalkogenidbasis ausschöpft. In den letzten Jahren wurde jedoch immer deutlicher, dass Verbesserungen der Bauelementeleistung allein nicht ausreichen, um das oben erwähnte exponentielle Wachstum zu bewältigen. Der Vormarsch von Large Language Models (LLMs) wie ChatGPT und entsprechender Software hat zu einem weiteren Anstieg des Energieverbrauchs bei der Datenverarbeitung geführt. Dies ist eine große Herausforderung in Anbetracht der zu erwartenden weiteren Zunahme der professionellen und privaten Nutzung solcher Werkzeuge des Maschinellen Lernens. Um den damit verbundenen Energieverbrauch zu minimieren, sind besonders energieeffiziente Software- und Hardwareentwicklungen notwendig. Im Rahmen des SFB 917 haben wir daher unsere Bemühungen verstärkt, an Effekten zu arbeiten, die mit einer Reduzierung des Energieverbrauchs verbunden sind. Während energieeffiziente Geräte helfen können, bietet eine Verbesserung der Hardware-Architektur eine wesentlich größere Hebelwirkung. Wir haben daher das Potenzial von Nanoschaltern auf Chalkogenidbasis in neuroinspirierten Computerarchitekturen erforscht. Zu diesem Zweck wurden mehrere neue groß angelegte Forschungsprojekte initiiert (NeuroSys und NeuroTec), die unsere Forschung an diesen Schaltern in immer komplexeren Architekturen erweitern und neue Möglichkeiten bieten, die Erkenntnisse des SFB 917 in neuen Anwendungen zu nutzen. Um Nanoschalter auf Chalkogenidbasis maßzuschneidern, waren große Fortschritte bei der Instrumentierung sowie ein tiefgreifendes Verständnis des Ursprungs der zugrundeliegenden Phänomene und der unkonventionellen Eigenschaften dieser Materialien erforderlich. Zu den Herausforderungen gehörte die Charakterisierung der Schaltvorgänge auf der Nanosekundenzeitskala und der Nanometerlängenskala. Dazu wurden avancierte Messmethoden entwickelt und eingesetzt. Um unkonventionelle Eigenschaften zu verstehen, muss eine Brücke zwischen Konzepten der anorganischen Chemie und den Materialeigenschaften geschlagen werden. Dies führte zu neuen Schatzkarten, die helfen, maßgeschneiderte Chalkogenide für spezifische Anwendungen zu identifizieren und maßzuschneidern. Die daraus resultierenden Erfolge werden in dem vorliegenden Bericht ausführlich beschrieben. Um zu zeigen, dass diese Erkenntnisse auch für die Industrie relevant sind, wurde eine enge Zusammenarbeit mit Industriepartnern aufgebaut, um sicherzustellen, dass die im SFB 917 gewonnenen Erkenntnisse auch in kürzester Zeit umgesetzt werden können.