上亿次超长寿命,《科学》称这种诞生于上海的未来存储器开关“十分吸引人”

智能时代对海量数据、超快运算的要求不断提升 , 体积更小、耗电更省、寿命更长的“未来存储器”也成为业界的一大研发重点 。中国科学院上海微系统与信息技术研究所宋志棠研究团队经过20年的不懈努力 , 研制出了一种单质碲新型存储开关器件 , 其性能稳定、漏电量小、寿命长 , 展现出十分诱人的应用前景 。最新出版的国际著名学术期刊《科学》报道了这一“前所未有的”基础研究成果 。

上亿次超长寿命,《科学》称这种诞生于上海的未来存储器开关“十分吸引人”
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大到数据中心 , 小到小小芯片 , 都离不开动态内存(DRAM) 。现在通用的DRAM有一个致命缺点 , 那就是怕断电———一旦断电 , 内存中的数据就会瞬间消失 , 再也找不回来 。虽然也有可随时保存数据的闪存(FLASH) , 但数据擦写、读取都很慢 , 科学家总希望找到一种更完美的下一代存储器 。
相变存储器(PCM)就是这样一种理想的存储器:它通过电流和电场的开关 , 让存储材料在晶态和非晶态间切换 。一开一关改变的是材料的物理状态 , 即使断电 , 这种状态也不会消失 , 同时还可快速擦写 。以100兆数据搜索为例 , 用PCM只需1秒 , 比传统存储器快了19倍 , 而100兆的数据量相当于一部《二十五史》的信息量 。
随着数字经济、5G、物联网、人工智能的兴起和发展 , 数据爆发式增长 , 人类社会正步入到以大数据为特征的智能化时代 , 这对信息存储和处理带来极大挑战 。PCM也从二维向三维发展 , 制造工艺对三维PCM(3D PCM)材料提出了更为苛刻的要求 。早在2002年 , 宋志棠就开始关注这个方向 。他的课题组从2003年开始不断寻找适合做3D PCM的相变材料和开关材料 。

上亿次超长寿命,《科学》称这种诞生于上海的未来存储器开关“十分吸引人”
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【上亿次超长寿命,《科学》称这种诞生于上海的未来存储器开关“十分吸引人”】“当全世界寻找的开关材料越来越复杂 , 我们却想反其道而行之 。”2017年 , 宋志棠的学生朱敏结束德国“洪堡学者”访学项目归国 , 加入研究组 , 开始重新审视一种广为人知的半导体材料——碲 。
朱敏研究员解释 , 材料组成越复杂 , 在纳米尺度上就越难做得均匀 , 这样就制约了3D PCM的寿命和存储密度的提升 。他们在实验中发现 , 单质碲竟然还有着尚未被人们察觉的特性:它可以在-10℃至400℃的宽广温度范围内 , 在电压作用下 , 在具有半导体特性的晶态与具有类金属特性的液态之间快速切换 , 从而形成肖特基结或欧姆接触 。
由于单质碲材料最简单 , 液态时电阻跟金属一样低 , 故而驱动电流强大、性能稳定 , 开关寿命可长达1亿多次 , 且漏电量小 。而且 , 单质碲的沉积无需高温 , 这对于存储器的3D层叠加工至关重要 。
经过四年多攻关 , 研究组在世界上首创了新型单质碲存储开关器件 。《科学》杂志高级编辑布伦特·格罗乔斯基以“单质开关”为题发表评论认为 , 这种纯碲器件“能够进行快速的相转变”“为避免多元素相变材料引发的问题 , 提供了十分吸引人的应用前景” 。意大利国家研究委员会微电子和微系统所教授拉法埃拉·卡拉尔科认为 , 宋志棠、朱敏等研究人员的成果是“前所未有的” , “为实现晶态单质开关器件提供了稳健的方法 , 也为3D PCM的研发提供了新视角” 。
“接下来 , 我们将进行大量工程化验证 。”宋志棠研究员表示 , 一旦工程化验证完成 , 该技术将有更明确的市场方向 。同时他们相信 , “固液开关理论”也将成为相变存储领域中一个重要的创新方向 。