世界上最小的存儲單元問世!

2020-12-05 環球創新智慧

導讀

據美國德克薩斯大學奧斯汀分校官網近日報導，該校研究人員創造出了迄今為止最小的存儲器，其橫截面積僅1平方納米，容量約為25太比特/平方釐米。

背景

從「消費電子產品」到「大數據」再到「腦啟發計算」，一系列新興的科技都對晶片都提出了更高的要求：更快、更小、更智能、更節能。在存儲器領域，科學家們正在探索各式各樣的新技術，以應對性能、尺寸、功耗以及智能化等方面的諸多挑戰。

（圖片來源：日本東北大學）

其中，憶阻器是近年來頗受關注的存儲領域的創新技術，這是一種具備記憶功能的非線性電阻。其阻值可通過控制電流變化來改變，如果把高阻值定義為「1」，低阻值定義為「0」，就可以實現數據存儲功能。

憶阻器晶片(圖片來源：南安普敦大學)

憶阻器晶片(圖片來源：南安普敦大學)

然而，憶阻器不僅可以存儲數據，還可以進行邏輯計算，因此可有效解決CPU與內存的速度不匹配問題，即所謂的「馮·諾依曼瓶頸」和「內存牆」問題，進一步突破帶寬和功耗的限制。

憶阻器晶片（圖片來源：Wei Lu）

憶阻器的工作方式類似人類神經突觸。施加電壓脈衝之後，其電阻會發生變化，就像生物神經元一樣。當電阻值低時，這種突觸連接會加強；當電阻值高時，這種突觸連接會減弱。憶阻器的學習能力，正是基於這種可調整的電阻。因此，憶阻器被認為是下一代神經網絡和腦啟發計算裡最有前景的硬體單元。

通過憶阻器陣列模仿神經元和突觸的工作方式（圖片來源：功能材料自旋電子學研究小組，格羅寧根大學）

2018年，筆者曾介紹過，為了提高憶阻器的存儲密度和可擴展性，美國德克薩斯大學奧斯汀分校（University of Texas at Austin）的電氣工程師團隊與中國北京大學的科學家們合作開發出當時最薄的高存儲密度存儲器：「atomristor」。

（圖片來源：科克雷爾學工程學院）

研究團隊發現二硫化鉬（MoS2）等原子級二維材料的非易失性記憶效應。這種效應類似金屬氧化物材料中的憶阻器。通過採用金屬原子薄片（石墨烯）作為電極，半導體原子薄片（二硫化鉬）作為活性層，整個存儲單元如同一個1.5納米厚的三明治，從而可以在一個平面中逐層地密集封裝「atomristor」。相對於傳統的存儲器件，「atomristor」的優勢很明顯，即佔據的空間小得多，厚度薄得多，電子流動也更快速、更高效。

創新

近日，該校研究人員在之前研究的基礎上又取得了新進展，創造出了迄今為止最小的存儲器。而且在這個過程中，他們搞清楚了解鎖這些小型器件高密度存儲能力的物理動力學。

（圖片來源：德克薩斯大學奧斯汀分校）

這項研究近期發表在《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）雜誌上，基於他們兩年前的研究成果，當時他們創造出了最薄的存儲器。在這項新工作中，研究人員進一步縮小了尺寸，將橫截面積縮小至僅1平方納米。

技術

掌握了將「高密度存儲能力」嵌入這些器件的物理學原理，就可以使器件變得更小。材料中的缺陷或孔洞是其擁有高密度存儲能力的關鍵。

電氣與計算機工程系教授德傑·阿金沃德（Deji Akinwande）表示：「當單個額外的金屬原子進入納米孔洞並填充它時，會將自己的一些導電性能賦予材料，這會導致變化或存儲效應。」

儘管他們使用了二硫化鉬作為研究中最主要的納米材料，但是研究人員認為這項發現將應用到數百個相關的原子厚度的材料。

打造更小的晶片和組件的競賽歸根到底是功率和便捷性的問題。通過更小的處理器，你可以製造更緊湊的計算機和手機。而縮小晶片尺寸，也會降低其能量需求和增加容量，這意味著將帶來更快速、更智能、更低運行功耗的器件。

美國陸軍研究辦公室資助了這一研究，該辦公室項目經理帕尼·瓦拉納西（Pani Varanasi）表示：「在這項研究中獲得的成果為開發國防部感興趣的下一代應用，例如超高密度存儲、神經形態計算系統、射頻通信系統等鋪平了道路。」

起初的器件被研究團隊稱為「atomristor」，是當時最薄的存儲器，只有單個原子層的厚度。但是縮小存儲器的尺寸不僅僅是使它更薄，而且還要使它的橫截面積更小。

阿金沃德表示：「存儲器領域的『聖杯』是縮小到一個程度，即用單個原子控制存儲功能，而我們在新研究中實現了這一點。」

這個版本的憶阻器是在美國橡樹嶺國家實驗室的先進設施中開發的，可達到25太比特/平方釐米的容量。與目前的商用快閃記憶體相比，每層的存儲密度提高了100倍。

關鍵詞

存儲器、晶片、憶阻器

參考資料

【1】Saban M. Hus, Ruijing Ge, Po-An Chen, Liangbo Liang, Gavin E. Donnelly, Wonhee Ko, Fumin Huang, Meng-Hsueh Chiang, An-Ping Li, Deji Akinwande. Observation of single-defect memristor in an MoS2 atomic sheet. Nature Nanotechnology, 2020; DOI: 10.1038/s41565-020-00789-w

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