斯坦福: 新的存儲器技術(shù)可能更節(jié)能

　　科學(xué)家們經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)尚未完全理解其中因果的事物令人興趣盎然，但是對于工程師而言，此種未知奧秘卻是夢魘。工程師的工作是將基礎(chǔ)知識轉(zhuǎn)化為實(shí)用技術(shù)，這意味著需要洞察細(xì)節(jié)。

　　12月5日，全球頂級研究人員匯聚舊金山，參加IEEE國際電子組件會議(IEDM)。斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)在會議上發(fā)表的一篇論文，正是這種洞察細(xì)節(jié)精神的體現(xiàn)。

　　由IBM電子工程師出身的黃漢森教授(H. S. Philip Wong)領(lǐng)導(dǎo)的該團(tuán)隊(duì)，在深入研究一種新型數(shù)據(jù)存儲技術(shù)。對于智能手機(jī)和其他移動設(shè)備而言，高效節(jié)能是至關(guān)重要的，因此此種數(shù)據(jù)存儲技術(shù)將是這些設(shè)備的理想選擇。

　　這種新技術(shù)產(chǎn)品稱為阻變存儲器，或縮寫為RRAM。阻變存儲器基于一種新型半導(dǎo)體材料，此種半導(dǎo)體材料能夠以阻止或允許通過電子流的方式，形成狀態(tài)值“0”和“1”。阻變存儲器具有硅材料不可能具備的應(yīng)用潛力，比如：以新的三維體，層疊在計(jì)算機(jī)晶體管頂部，形成“高層芯片”，將獲得比目前的電子芯片更快的處理速度和更高的能效。

　　但是，盡管工程師們可以觀察到阻變存儲器確實(shí)能夠存儲數(shù)據(jù)，卻并不知道這種新材料的具體工作原理。“在我們預(yù)期制造出可靠設(shè)備之前，我們還需要掌握有關(guān)阻變存儲器更多基本工作原理和精確信息。”黃教授說。

　　所以，為了幫助電子工程師們了解未知奧秘，黃教授的研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個工具，用于測量促使阻變存儲器芯片工作的基本作用力。

　　斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)的研究生姜子臻對相關(guān)基礎(chǔ)理論進(jìn)行了解釋。她說，阻變存儲器材料是絕緣體，其在正常狀態(tài)下不允許電流通過。但是，在某些情況下，可以對絕緣體進(jìn)行誘導(dǎo)，使其允許通過電子流。過去的研究已經(jīng)表明，以電場震蕩阻變存儲器材料，可以導(dǎo)致形成一個允許電子流通過的路徑。該路徑被稱為導(dǎo)電細(xì)絲。為了阻斷導(dǎo)電細(xì)絲，研究人員應(yīng)用了另一個震蕩，使材料重新成為絕緣體。所以，每個震蕩可以將阻變存儲器的狀態(tài)值從“0”切換至“1”，或者相反，從而使這種材料可應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲。

　　但是，在阻變存儲器的狀態(tài)切換過程中，電力并不是唯一的作用力。泵浦電子進(jìn)入任何材料均會提高其溫度。這正是電爐的原理。就阻變存儲器來說，則是以對材料施加電壓的方式提高其溫度，從而形成或阻斷導(dǎo)電細(xì)絲。但問題是應(yīng)該應(yīng)用何種電壓/溫度狀態(tài)呢?以前，斯坦福大學(xué)的新研究人員認(rèn)為，開關(guān)點(diǎn)是足以產(chǎn)生大約1160華氏度高溫的短脈沖電壓，其熱度足以將鋁融化。不過，這只是估計(jì)，因?yàn)椴]有辦法測量電震蕩產(chǎn)生的熱量。

　　“為了解答這個問題，我們不得不分別研究電壓和溫度對形成導(dǎo)電細(xì)絲的影響，”團(tuán)隊(duì)的另一位研究生王子文(音譯)說。

　　斯坦福大學(xué)的研究人員必須在根本不使用電場的條件下加熱阻變存儲器材料，所以他們將阻變存儲器芯片放在一個微加熱臺(MTS)裝置上。這是一種復(fù)雜的熱板，能夠在材料內(nèi)部產(chǎn)生廣泛的溫度變幅。當(dāng)然，其目的并非只是加熱材料，而且還要測量如何形成導(dǎo)電細(xì)絲。為此，他們利用了阻變存儲器材料在其自然狀態(tài)下是絕緣體，這使其狀態(tài)值為“0”;而一旦形成導(dǎo)電細(xì)絲，電子就會流動，研究人員可以檢測到其狀態(tài)值由“0”變?yōu)椤?”。

　　利用該科學(xué)原理，研究團(tuán)隊(duì)將阻變存儲器芯片放在微加熱臺(MTS)裝置上上進(jìn)行加熱，起始溫度約為80華氏度——差不多是一個溫暖房間的溫度，然后一直加熱至1520華氏度，此時熱度足以融化銀幣。研究人員在這兩個極端溫度范圍內(nèi)對阻變存儲器加熱，并精確測量阻變存儲器是否以及如何從其自然狀態(tài)值“0”切換至狀態(tài)值“1”。

　　研究人員驚喜地觀察到，當(dāng)環(huán)境溫度處于80華氏度與260華氏度之間時，能夠更有效地形成導(dǎo)電細(xì)絲。260華氏度略高于沸水溫度，這顯然不同于之前認(rèn)為越熱越好的猜測。若在后續(xù)研究中證實(shí)這點(diǎn)，這將是個好消息，因?yàn)榭梢酝ㄟ^電壓和電震蕩持續(xù)時間實(shí)現(xiàn)工作芯片開關(guān)溫度。在較低溫度下實(shí)現(xiàn)有效切換，意味著耗電更少，這將使得阻變存儲器更節(jié)能。因此，當(dāng)其用來作為移動設(shè)備的內(nèi)存時，將延長電池壽命。

　　雖然將阻變存儲器投入實(shí)際使用依舊任重道遠(yuǎn)，然而，此項(xiàng)研究提供了系統(tǒng)甄別不同條件的試驗(yàn)基礎(chǔ)，而不是依賴臧否參半的主觀臆斷。

　　“現(xiàn)在，我們能夠以預(yù)測方式使用電壓和溫度作為設(shè)計(jì)輸入，這將使我們能夠設(shè)計(jì)更好的內(nèi)存設(shè)備，”黃教授說。

　　一位在黃教授的實(shí)驗(yàn)室獲得博士學(xué)位的斯坦福大學(xué)校友 - 陳鴻禹(Henry Chen)博士參與此項(xiàng)研究工作并列這篇論文的共同著者。這次陳博士服務(wù)的中國芯片制造企業(yè)北京兆易創(chuàng)新科技股份有限公司提供了寶貴建議，協(xié)助該項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)結(jié)果分析，促使研究人員能夠在國際電子器件會議上報告其研究成果。