研究團隊發(fā)明新型PCRAM材料，存儲速度提升100倍、功耗降低90%

未來(lái)，這項技術(shù)的應用將會(huì )大大降低計算機存儲器的成本和功耗。

RAM，又稱(chēng)為隨機存儲器，是與CPU直接交換數據的內部存儲器，也叫主存（內存）。它可以隨時(shí)讀寫(xiě)，而且速度很快，通常作為操作系統或其他正在運行中的程序的臨時(shí)數據存儲媒介。但是RAM在斷電后保存的數據會(huì )自動(dòng)消失，因此RAM在應用上受到限制。

近幾十年，伴隨著(zhù)計算機技術(shù)和制造工藝越來(lái)越好，計算機性能在提高的同時(shí)，其體型也在不斷減小，但是內存技術(shù)的進(jìn)步卻在放緩。自20世紀60年代開(kāi)始，科學(xué)家就斷定，相變隨機存儲器（PCRAM）將會(huì )是替代RAM的優(yōu)選。

這里，值得一提的是，如果要用PCRAM作為計算機的主存，它的材料特性就要能夠穩定的記錄0和1。PCRAM通過(guò)狀態(tài)的切換來(lái)做到這一點(diǎn)，當它用高電導晶態(tài)記錄0時(shí)，它就會(huì )用低電導玻璃態(tài)去記錄1，整個(gè)記錄過(guò)程它通過(guò)發(fā)送大電流來(lái)改變狀態(tài)，以此實(shí)現對數據的寫(xiě)入或改寫(xiě)。

但是，問(wèn)題在于，一直以來(lái)最常用的相變材料，鍺、銻和碲的合金（稱(chēng)為GST）的特性并不是穩定的，有時(shí)從非晶轉變?yōu)榫B(tài)，它需要花費10納秒。這一速度使得其性能只能相當于今天的DRAM，而沒(méi)有辦法達到電腦主存的要求。

近日，中科院上海微系統所宋志棠科研團隊在新型相變存儲材料方面取得了重大突破，創(chuàng )新提出一種高速相變材料的設計思路，研制出了全新的PCRAM。

據了解，研究團隊根據第一性理論計算與模擬分子動(dòng)力學(xué)，從眾多過(guò)渡族元素中，優(yōu)選出鈧（Sc）作為摻雜元素，從而設計了Sc-Sb-Te材料。因材料本身具備低功耗、長(cháng)壽命、高穩定性的特點(diǎn)，且Sc與Te形成的穩定八面體可以實(shí)現高速、低功耗存儲，故而研究人員成功通過(guò)減小非晶相變薄膜內成核的隨機性來(lái)實(shí)現相變材料的高速晶化。

隨后他們利用0.13um CMOS工藝制備的Sc-Sb-Te基相變存儲器件，據實(shí)驗數據表明，該器件可以實(shí)現700皮秒的高速可逆寫(xiě)擦操作，其循環(huán)壽命大于107次。相比傳統Ge-Sb-Te器件，其操作功耗降低了90%，且具有十年的數據保持力。

這一重大發(fā)現，將會(huì )對存儲器的跨越式發(fā)展起到巨大推動(dòng)作用。對此，北大PCRAM專(zhuān)家Hongsik Jeong表示：“速度是存儲器的核心價(jià)值所在，但是PCRAM沒(méi)有受限于速度這一標準，它已經(jīng)開(kāi)始有廣泛的數據存儲應用了，所以現在對其存儲速度的提升，必將會(huì )使PCRAM的發(fā)展迅速提升。”

不過(guò)，關(guān)于應用前景，Jeong還指出，想要更快的發(fā)展和推廣PCRAM，必須解決PCRAM的擴展問(wèn)題。此外，它還需要具備承受標準芯片制造條件下的高溫，且能夠重寫(xiě)幾萬(wàn)億次的數據來(lái)匹配DRAM的性能。當這些問(wèn)題都解決了，計算機將會(huì )朝著(zhù)更小、更快、更便宜的方向發(fā)展下去。

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