斯坦福:新的存储器技术可能更节能

2016-12-22 17:52:25 未知

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科学家们经常会发现尚未完全理解其中因果的事物令人兴趣盎然，但是对于工程师而言，此种未知奥秘却是梦魇。工程师的工作是将基础知识转化为实用技术，这意味着需要洞察细节。

12月5日，全球顶级研究人员汇聚旧金山，参加IEEE国际电子组件会议（IEDM）。斯坦福大学团队在会议上发表的一篇论文，正是这种洞察细节精神的体现。

由IBM电子工程师出身的黄汉森教授(H. S. Philip Wong)领导的该团队，在深入研究一种新型数据存储技术。对于智能手机和其他移动设备而言，高效节能是至关重要的，因此此种数据存储技术将是这些设备的理想选择。

这种新技术产品称为阻变存储器，或缩写为RRAM。阻变存储器基于一种新型半导体材料，此种半导体材料能够以阻止或允许通过电子流的方式，形成状态值“0”和“1”。阻变存储器具有硅材料不可能具备的应用潜力，比如：以新的三维体，层叠在计算机晶体管顶部，形成“高层芯片”，将获得比目前的电子芯片更快的处理速度和更高的能效。

但是，尽管工程师们可以观察到阻变存储器确实能够存储数据，却并不知道这种新材料的具体工作原理。“在我们预期制造出可靠设备之前，我们还需要掌握有关阻变存储器更多基本工作原理和精确信息。”黄教授说。

所以，为了帮助电子工程师们了解未知奥秘，黄教授的研究团队构建了一个工具，用于测量促使阻变存储器芯片工作的基本作用力。

斯坦福大学团队的研究生姜子臻对相关基础理论进行了解释。她说，阻变存储器材料是绝缘体，其在正常状态下不允许电流通过。但是，在某些情况下，可以对绝缘体进行诱导，使其允许通过电子流。过去的研究已经表明，以电场震荡阻变存储器材料，可以导致形成一个允许电子流通过的路径。该路径被称为导电细丝。为了阻断导电细丝，研究人员应用了另一个震荡，使材料重新成为绝缘体。所以，每个震荡可以将阻变存储器的状态值从“0”切换至“1”，或者相反，从而使这种材料可应用于数据存储。

但是，在阻变存储器的状态切换过程中，电力并不是唯一的作用力。泵浦电子进入任何材料均会提高其温度。这正是电炉的原理。就阻变存储器来说，则是以对材料施加电压的方式提高其温度，从而形成或阻断导电细丝。但问题是应该应用何种电压/温度状态呢？以前，斯坦福大学的新研究人员认为，开关点是足以产生大约1160华氏度高温的短脉冲电压，其热度足以将铝融化。不过，这只是估计，因为并没有办法测量电震荡产生的热量。

“为了解答这个问题，我们不得不分别研究电压和温度对形成导电细丝的影响，”团队的另一位研究生王子文（音译）说。

斯坦福大学的研究人员必须在根本不使用电场的条件下加热阻变存储器材料，所以他们将阻变存储器芯片放在一个微加热台（MTS）装置上。这是一种复杂的热板，能够在材料内部产生广泛的温度变幅。当然，其目的并非只是加热材料，而且还要测量如何形成导电细丝。为此，他们利用了阻变存储器材料在其自然状态下是绝缘体，这使其状态值为“0”；而一旦形成导电细丝，电子就会流动，研究人员可以检测到其状态值由“0”变为“1”。

利用该科学原理，研究团队将阻变存储器芯片放在微加热台（MTS）装置上上进行加热，起始温度约为80华氏度——差不多是一个温暖房间的温度，然后一直加热至1520华氏度，此时热度足以融化银币。研究人员在这两个极端温度范围内对阻变存储器加热，并精确测量阻变存储器是否以及如何从其自然状态值“0”切换至状态值“1”。

研究人员惊喜地观察到，当环境温度处于80华氏度与260华氏度之间时，能够更有效地形成导电细丝。260华氏度略高于沸水温度，这显然不同于之前认为越热越好的猜测。若在后续研究中证实这点，这将是个好消息，因为可以通过电压和电震荡持续时间实现工作芯片开关温度。在较低温度下实现有效切换，意味着耗电更少，这将使得阻变存储器更节能。因此，当其用来作为移动设备的内存时，将延长电池寿命。

虽然将阻变存储器投入实际使用依旧任重道远，然而，此项研究提供了系统甄别不同条件的试验基础，而不是依赖臧否参半的主观臆断。

“现在，我们能够以预测方式使用电压和温度作为设计输入，这将使我们能够设计更好的内存设备，”黄教授说。

一位在黄教授的实验室获得博士学位的斯坦福大学校友 - 陈鸿禹(Henry Chen)博士参与此项研究工作并列这篇论文的共同著者。这次陈博士服务的中国芯片制造企业北京兆易创新科技股份有限公司提供了宝贵建议，协助该项目实验设计和数据结果分析，促使研究人员能够在国际电子器件会议上报告其研究成果。

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