0.7納秒！相變存儲(chǔ)器速度新極限

　　隨著數(shù)字全球化，爆炸式增長(zhǎng)的信息對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與傳輸提出了極大的挑戰(zhàn)，而且目前商用計(jì)算體系架構(gòu)內(nèi)各存儲(chǔ)部件，即緩存(SRAM)、內(nèi)存(DRAM)和閃存(NAND Flash)之間性能差距日益加大，其間的數(shù)據(jù)交換效率也已成為了電子設(shè)備發(fā)展的瓶頸。因此研發(fā)具備存儲(chǔ)密度大、讀寫速度快、能耗低、非易失(即斷電后數(shù)據(jù)不丟失)等特點(diǎn)的新式通用式存儲(chǔ)介質(zhì)勢(shì)在必行。

　　近日，美國(guó)Science雜志發(fā)表了西安交通大學(xué)與上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的合作論文——《Reducing the stochasticity of crystal nucleation to enable sub-nanosecond memory writing》，該工作從接收到在線發(fā)表僅10天。更讓人驚訝的是，共同第一作者還是個(gè)大四本科生。

　　基于相變材料的相變存儲(chǔ)器(PCRAM)是最接近商業(yè)化的通用式存儲(chǔ)器，由國(guó)際半導(dǎo)體巨頭Intel與Mircon聯(lián)合推出的首款商用相變存儲(chǔ)器“傲騰”已于今年投入市場(chǎng)。我國(guó)目前所有相變存儲(chǔ)器的讀寫速度仍然無法媲美高速型存儲(chǔ)器，如內(nèi)存(納秒)和緩存(亞納秒)。除去工業(yè)化工藝水平問題，最為核心的難題是傳統(tǒng)相變材料鍺銻碲形核隨機(jī)性較大，其結(jié)晶化過程通常需要幾十至幾百納秒，而結(jié)晶化速度直接對(duì)應(yīng)著寫入速度。

　　新式鈧銻碲(SST)相變存儲(chǔ)器件0.7納秒的高速寫入操作以及其微觀結(jié)晶化機(jī)理為解決寫入速度瓶頸問題，西安交通大學(xué)材料學(xué)院金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所通力合作，利用材料計(jì)算與設(shè)計(jì)的手段篩選出新型相變材料鈧銻碲合金。

　　該材料利用結(jié)構(gòu)適配且更加穩(wěn)定的鈧碲化學(xué)鍵來加速晶核的孕育過程，顯著降低形核過程的隨機(jī)性，大幅加快結(jié)晶化即寫入操作速度。與業(yè)內(nèi)性能最好的相變器件相比，鈧銻碲器件的操作速度提升超過10多倍，達(dá)到了0.7納秒的高速可逆操作，并且降低操作功耗近10倍。通過材料模擬計(jì)算，研究人員清晰地揭示了超快結(jié)晶化以及超低功耗的微觀機(jī)理。這一研究成果對(duì)深入理解和調(diào)控非晶態(tài)材料的形核與生長(zhǎng)機(jī)制具有重要的指導(dǎo)意義，并為實(shí)現(xiàn)我國(guó)自主的通用存儲(chǔ)器技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

　　該項(xiàng)工作的材料計(jì)算與設(shè)計(jì)部分由西安交大完成：材料學(xué)院大四本科生周宇星為該工作的共同第一作者，青年千人學(xué)者張偉教授為共同通訊作者，負(fù)責(zé)論文投稿。