斯坦福宣布相變存儲器研究新突破：為超快、節能計算鋪平了道路

2021-11-06 13:26:04來源：cnBeta.COM 關鍵詞：相變存儲器存儲設備閱讀量：25113

導讀：科學技術地迅速發展，正在改變著人們的生活。

　　數十年來，科學家們一直在為從大型數據中心、到移動傳感器、以及其它柔性電子設備，尋找更快、更節能的存儲技術。當前十分具有前途的數據存儲技術之一，就是所謂的相變存儲(Phase-Change Memory)，特點是速度可達到傳統硬盤驅動器的數千倍。但在新興存儲類型中，它并不是十分節能的。

　　好消息是，斯坦福大學的工程師們，剛剛克服了限制相變存儲器被廣泛采用的一個關鍵障礙，并在《科學》雜志上分享了他們的新研究成果。

　　研究資深作者、電氣工程教授 Eric Pop 表示：長期以來，人們一直期待著相變存儲能夠快速取代手機 / 筆記本電腦中的部件。

　　這項技術未被采用的一個原因，就是它需要消耗較其它技術方案更高的運行功率。但新研究已證明，相變存儲器可以做到既快速又節能。

　　與使用晶體管和其它硬件構建的傳統存儲芯片不同，典型的相變存儲設備由夾在兩個金屬電極之間的鍺、銻、碲(簡稱 GST)三種元素的化合物制成。

　　以閃存驅動器為例，傳統裝置需要通過打開和關閉電子流來存儲數據，以對應‘0’和‘1’。

　　而在相變存儲器中，‘0’和‘1’代表的是 GST 材料中的電阻測量值，即其對電流的抵抗程度。

　　研究合著者、博士生 Asir Intisar Khan 補充道：

　　典型相變存儲器件可保存兩種電阻狀態，高電阻意味‘0’、低電阻意味‘1’。

　　不過我們可以利用電極電脈沖產生的熱量，使之在瞬間(1ns 內)從‘1’切換到‘0’，反之亦然。

　　據悉，在加熱到大約 300 ℉(150 ℃)時，會使 GST 化合物變成具有低電阻的結晶狀態。

　　在大約 1000 ℉(600 ℃)時，結晶原子優惠變得無序，將一部分化合物轉變為具有更高電阻的非靜態。

　　利用兩種狀態之間的巨大電阻差異，便可運用于存儲器的數據存儲編程。

　　Asir Intisar Khan 解釋稱：“這種巨大的電阻值變化過程是可逆的，并且能夠通過打開和關閉脈沖來引起”。

　　即使離開幾年后，你仍可回來重新讀取每一比特的電阻。此外一旦完成了配置，它就無需任何電力來維持，特性上與傳統閃存存儲器類似。

　　不過在狀態之間的切換，通常需要消耗大量能源，這樣無疑會對移動電子產品的電池續航造成拖累。

　　為了應對這一挑戰，斯坦福大學團隊開始著手一種低功耗的相變存儲單元，并且可嵌入彎曲的智能機、可穿戴身體傳感器、以及其它基于電池供電的移動設備上常用的柔性 PCB 基板上。

　　研究合著者、博士后學者 Alwin Daus 表示：“這些裝置需要低成本和低能耗才能有效工作，但許多柔性 PCB 基材會在 390 ℉(200 ℃)以上出現形變或熔化”。

　　有趣的是，Daus 與同事們發現，具有低熱導率的塑料基板，有助于減少存儲單元中的電流、使之更高效地運行。Eric Pop 說道：

　　新器件在柔性基板上將編程電流密度降低到了 1/10，且能夠在剛性硅材料上降至 1/100 。

　　我們的秘密武器包含了三種成分，分別是(1)由納米記憶材料層組成的超晶格，(2)將超晶格層填充到其中的納米級孔隙單元，(3)隔熱柔性基板。

　　在運用上述三招之后，其共同顯著地提升了能源效率。

　　展望未來，這項技術有望在移動 / 柔性設備上實現更快速、節能的存儲，并推動智能家居、生物醫學監視器等實時傳感器的發展。

　　Alwin Daus 表示：“傳感器對電池續航有極大的限制，收集原始數據并發送到云端的效率非常低。若能在本地完成存儲數據的處理，新技術將對物聯網提供極大的幫助”。

　　Asir Intisar Khan 補充道：

　　現代計算機有獨立的計算和存儲芯片，它們在一個地方計算數據并轉儲到另一個地方，但這種來回挪騰是非常低能效的。

　　若能借助相變存儲技術實現‘存儲內計算’(in-memory computing )，便可彌合這部分性能差距。

　　只是它需要一個具有多電阻狀態的相變裝置，且每一個都可用于存儲。

　　最后，盡管典型相變存儲器僅保有高或低兩種電阻狀態，但該研究團隊已經實現了四電阻狀態的編程，這也是邁向靈活內存計算的重要一步。

　　此外若將相變存儲器應用于大型數據中心，當前數據存儲所占的 15% 電力消耗也可得到極大的緩解。

　　(原標題：斯坦福宣布相變存儲器研究新突破：為超快、節能計算鋪平了道路)

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