DNA-basiertes ROM
National Science Foundation (NSF) und Semiconductor Research Corp. (SRC) investiert 12 Millionen US-Dollar in die Entwicklung einer neuen Klasse von Speichern und anderen Technologien - insbesondere permanentes Gedächtnis auf DNA-Basis, Gedächtnis auf Nukleinsäure (NAM) und neuronale Netze auf Basis von Hefezellen.
Die Initiative wurde SemiSynBio Semiconductor Synthetic Biology für Informationsverarbeitungs- und Speichertechnologien genannt. SemiSynBio ist ein Gemeinschaftsprojekt von NSF und SRC.
Vorhandener Speicher ist zuverlässig und billig, weist jedoch bestimmte Einschränkungen auf. Die Industrie arbeitet an einer Welle von Speichertypen der nächsten Generation -
magnetoresistivem Direktzugriffsspeicher (MRAM),
Phasenzustandsspeicher und Widerstandsspeicher (ReRAM). Es ist ein nichtflüchtiger Speicher mit unbegrenzter Haltbarkeit.
Die Forscher arbeiten auch an einer Reihe biologischer Gedächtnistypen. Biologische Strukturen in Kombination mit Halbleitertechnologie können 1000-mal mehr Daten speichern als aktuelle Technologien und diese Daten hundert Jahre oder länger aufbewahren, während weniger Energie verbraucht wird.
Beispielsweise arbeitet die Industrie an Archivspeichertechnologien unter Verwendung von
Desoxyribonukleinsäure (DNA). DNA ist eine vielversprechende Plattform zum Speichern von Informationen in elektronischen Geräten der nächsten Generation. DNA wird im Laufe der Zeit nicht abgebaut und ist sehr kompakt. Es kann verwendet werden, um eine große Datenmenge in einer sehr kleinen Menge für eine sehr lange Zeit zu speichern.
Die Forscher verwenden DNA, das Hauptmolekül, das genetische Informationen in der Biologie codiert, als programmierbaren Baustein - den LEGO-Molekülblock -, um komplexe Materialien mit besonderen Eigenschaften herzustellenImmer mehr Unternehmen arbeiten daran, Informationen in DNA zu speichern. Im vergangenen Jahr gelang es beispielsweise Twist Bioscience, Microsoft und der University of Washington, die Audioaufnahmen von zwei Musikdarbietungen beim Montreux Jazz Festival im DNA-Speicher zu speichern.
In Computern werden einzelne Informationseinheiten in Form von Nullen und Einsen, einem Binärcode, gespeichert. DNA-Moleküle codieren Informationen durch Sequenzen einzelner Einheiten. In DNA-Molekülen sind diese Einheiten vier verschiedene Nukleinsäurebasen:
Adenin (A),
Cytosin (C),
Guanin (G) und
Thymin (T).
Twist Bioscience, Microsoft und die University of Washington haben ein vierstufiges Verfahren entwickelt, um Musik für die Archivierung in DNA-Kopien zu kodieren: DNA-Kodierung, Konservierungssynthese, Extraktion und Dekodierung.
Es gibt jedoch mehrere technische und grundlegende Hindernisse für die Implementierung der DNA-Speicherung.
Das SemiSynBio-Programm wurde von der Industrie erfunden, um diese Probleme zu lösen. In einem der Projekte dieser Initiative entwickeln die University of California in Davis, die University of Washington und die Emory University DNA-basierte ROMs. Ziel ist es, ein Gerät zu schaffen, das wie gewünscht programmiert, elektronisch gelesen und mit herkömmlichen Halbleitern kombiniert werden kann, um Daten langfristig zu speichern und abzurufen. Zu diesem Zweck haben Forscher verschiedene Technologien entwickelt:
- DNA-Nanodrähte. Sie werden unter Verwendung des Bottom-up-Selbstorganisationsprozesses mit molekularen und ionischen Additiven und dem strukturierten Wachstum anorganischer Strukturen gezüchtet.
- Regeln für die Entwicklung von mehrstufigen DNA-basierten Speicherzellen.
- Entwicklung vernetzter ROMs basierend auf DNA.
Neben dem DNA-ROM finanziert SemiSynBio auch andere Projekte - Datenspeichersysteme auf einem Chip im Nanometerbereich mit chimärer DNA, Datenspeicherung in DNA durch Lesen auf Basis von Nanoporen, Speicher auf Nukleinsäure, Bioelektronik auf Basis von Redoxreaktionen und HefeOns. YeastOns sind neuronale Netze, die auf der Kommunikation zwischen Hefezellen basieren.
Im Rahmen des Programms entwickelt die Universität von Idaho in Boise das Nukleinsäurespeicher (NAM). Sie haben bereits zwei Medienprototypen - digitales NAM (dNAM) und serielles NAM (seqNAM).
„In dNAM werden Informationen durch eine spezifische räumliche Ausrichtung von DNA-Sequenzen auf adressierbaren DNA-Origami-Nanostrukturen, sogenannten NAM-Speicherknoten, codiert. Origami-DNA bietet einen bequemen Weg und einen bewährten Ansatz für das schnelle und effiziente Prototyping von NAM-Knotenstrukturen “, sagte NSF. "In seqNAM werden Informationen in Blöcken von Datensegmenten codiert, die in separaten Molekülketten enthalten sind."
Dawn Tilbury, stellvertretende technische Direktorin von NSF, sagte: „Die Fähigkeiten, die wir heute haben, haben sich im Vergleich zu vor einigen Jahrzehnten dramatisch verbessert, aber Materialien wie Silizium weisen physikalische Einschränkungen auf, die Berechnungen in sehr kleinen Maßstäben zurückhalten. Auf Biologie basierende Materialien und Schemata weisen auf sehr interessante Möglichkeiten hin, die diese Hindernisse bei geringeren Energiekosten überwinden können. “
Erwin Gianchandani, stellvertretender Interimsdirektor der NSF für Informatik, Information und Ingenieurwesen, fügte hinzu: „Diese Studie wird den Weg für Geräte mit viel größeren Speicherkapazitäten und viel weniger Energiebedarf ebnen. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, wir können den gesamten Inhalt der
Library of Congress auf einem Gerät von der Größe Ihres Fingernagels aufzeichnen. “
OxRAM-Substrate
Das Electronics and Information Technology Laboratory (LETI) und das CMP Service Center von CEA Tech, das Prototypen und Kleinserien von integrierten Schaltkreisen und
mikroelektromechanischen Schaltkreisen herstellt , stellten das erste industrielle Verfahren zur Herstellung von Mehrzweck-Substraten (Multi-Project-Wafer, MPW) zur Herstellung von 200-mm-OxRAM-Geräten vor die Plattform.
OxRAM ist ein neuer nichtflüchtiger Speicher, eine Teilmenge des resistiven Speichers (ReRAM). Im Allgemeinen gibt es zwei Haupttypen von ReRAM - ReRAM mit Sauerstoffmangel und CBRAM. ReRAM mit Sauerstoffmangel ist als ReRAM auf Oxidbasis oder OxRAM bekannt. OxRAM kann als interner Speicher für Mikrocontroller oder Produkte aus dem Sicherheitsbereich sowie zur Beschleunigung der Arbeit von KI- und neuromorphen Berechnungen verwendet werden.
OxRAM-StrukturDie Herstellung von Mehrzwecksubstraten erfolgt über die 200-mm-LETI-CMOS-Linie. Der Service ermöglicht die Entwicklung von OxRAM. Es enthält eine Reihe von Masken, die als „Memory Advanced Demonstrator“ (MAD) mit OxRAM-Technologie bezeichnet werden. Die neue technologische Plattform basiert auf aktiven Schichten von Hafniumoxiden unter Zusatz von Titan. Diese Technologie wird mit praktischen Designbeispielen geliefert, einschließlich Layouts, Qualitätskontrolle und Simulationen. Es werden Bibliotheken mit einer großen Anzahl aktiver und passiver elektrooptischer Komponenten bereitgestellt.
Etienne Novak, Leiter des LETI Advanced Memory Laboratory, sagte: „Diese Funktion basiert zusammen mit unserer Advanced Memory Demonstrator-Plattform auf einer Vielzahl von Tools, mit denen wir gemeinsam mit unseren Partnern verschiedene Studien durchführen und die Wirksamkeit verschiedener Lösungen im Bereich des nichtflüchtigen Speichers überprüfen können.“ .
Jean-Christophe Krebier, CMP-Direktor, fügte hinzu: „Dies ist eine Gelegenheit für viele Universitäten, Startups und kleine Unternehmen in Frankreich, Europa, Nordamerika und Asien, die neuen Technologien und Dienstleistungen zu nutzen.“
Biologische Mikroskopie
IMEC erhielt einen Zuschuss von 1,5 Mio. EUR für die Entwicklung der ultrakompakten Mikroskopie auf der Basis von Photonik auf einem Chip und Bildsensoren auf CMOS. IMEC wird eine Technologie namens Integrierte Mikroskopie auf einem Chip mit hochauflösender strukturierter Beleuchtung (IROCSIM) entwickeln. Diese Technologie kann in der [Untersuchung] von DNA, Biologie und Medizin eingesetzt werden.
Niels Werellen, leitender Photonikforscher und Projektmanager bei IMEC, sagte: „Die kompakte und leistungsstarke hochauflösende Mikroskopie wird bedeutende Veränderungen auf dem Gebiet der biologischen Forschung bewirken, den Zugang zur DNA-Sequenzierungstechnologie erleichtern, bestimmte Krankheiten diagnostizieren und neue Arzneimittel in der Pharmakologie untersuchen. und Diagnosen für Patienten an abgelegenen Orten zu stellen. "