日本新型存储材料,能将功耗降低99%

半导体行业观察 · 半导体行业观察·2022-05-05 09:22

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据日经报道,日本东北大学的助教山本卓也等人的研究团队开发出了利用人工智能(AI)探索适合相变记忆体(PCRAM)的材料的方式。相变记忆体作为新一代半导体存储芯片而受到期待。通过将计算机模拟和AI结合起来,可将耗电量降至此前的100分之1以下。随着弄清适合新一代记忆体的特性,探索候选材料将变得容易。
记忆卡用于SD卡和U盘等,但写入速度慢等成为课题,作为新一代记忆体,PCRAM受到期待。美国英特尔等已实现PCRAM的实用化,但微细化技术存在课题。与其他新一代记忆体相比,耗电量也更大,并未像记忆卡那样普及,需要探索提升性能的PCRAM材料。
山本卓也助教等人针对50种条件,借助模拟使导热率和电导率等9项特性实现数值化。利用AI计算出作为材料的最佳特性。如果具备这种特性,与现在已实用化的PCRAM的材料相比,耗电量将降至100分之1。
据称此次的方式不仅可用于半导体材料,还有望应用于电子元器件的最佳结构的探索等。


让人着迷的相变存储技术


相变存储器(PCM)是一种非易失存储设备,它利用材料的可逆转的相变来存储信息。同一物质可以在诸如固体、液体、气体、冷凝物和等离子体等状态下存在,这些状态都称为相。相变存储器便是利用特殊材料在不同相间的电阻差异进行工作的。


相变存储器利用的是两相间的阻抗差。由电流注入产生的剧烈的热量可以引发材料的相变。相变后的材料性质由注入的电流、电压及操作时间决定。基本相变存储器存储原理如图所示。如左图所示,一层硫属化物夹在顶端电极与底端电极之间。底端电极延伸出的加热电阻接触硫属化物层。电流注入加热电阻与硫属化物层的连接点后产生的焦耳热引起相变。右图为此构想的实际操作,在晶体结构硫属化物层中产生了无定形相的区域。由于反射率的差异,无定形相区域呈现如蘑菇菌盖的形状。


回顾这个技术的发展历史,则是一个偶然。


二十世纪五十年代至六十年代,Dr. Stanford Ovshinsky开始研究无定形物质的性质。无定形物质是一类没有表现出确定、有序的结晶结构的物质。1968年,他发现某些玻璃在变相时存在可逆的电阻系数变化。1969年,他又发现激光在光学存储介质中的反射率会发生响应的变化。1970年,他与他的妻子Dr. Iris Ovshinsky共同建立的能量转换装置(ECD)公司,发布了他们与Intel的Gordon Moore合作的结果。1970年9月28日在Electronics发布的这一篇文章描述了世界上第一个256位半导体相变存储器。


近30年后,能量转换装置(ECD)公司与Micron Technology前副主席Tyler Lowery建立了新的子公司Ovonyx。在2000年2月,Intel与Ovonyx发表了合作与许可协议,此份协议是现代PCM研究与发展的开端。2000年12月,STMicroelectronics(ST)也与Ovonyx开始合作。至2003年,以上三家公司将力量集中,避免重复进行基础的、竞争的研究与发展,避免重复进行延伸领域的研究,以加快此项技术的进展。2005年,ST与Intel发表了它们建立新的闪存公司的意图,新公司名为Numonyx。


在1970年第一份产品问世以后的几年中,半导体制作工艺有了很大的进展,这促进了半导体相变存储器的发展。同时期,相变材料也愈加完善以满足在可重复写入的CD与DVD中的大量使用。Intel开发的相变存储器使用了硫属化物(Chalcogenides),这类材料包含元素周期表中的氧/硫族元素。Numonyx的相变存储器使用一种含锗、锑、碲的合成材料(Ge2Sb2Te5),多被称为GST。现今大多数公司在研究和发展相变存储器时都都使用GST或近似的相关合成材料。今天,大部分DVD-RAM都是使用与Numonyx相变存储器使用的相同的材料。


相变存储器兼有NOR-type flash、memory NAND-type flash memory和 RAM或EEpROM相关的属性。再加上他的存在,可以改变以前处理器和内存的信息传输架构,因此在现在倍受欢迎。


*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


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