台积电参与研究的相变存储，新突破！

2024-02-01 01:02

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美国和台湾的工程师表示，他们已经展示了非易失性存储器的一种有希望的新变化，这种存储器足够小，在能源方面非常节约，并且在足够低的电压下工作，可以提高未来处理器的能力。

该器件是一种相变存储器，一类以电阻形式保存信息并通过熔化和重组其自身晶体结构来改变电阻的存储器。根据《自然通讯》上周报道的研究，这种被称为纳米复合超晶格的晶体可以使写入一点所需的功率提高一个数量级。工程师们表示，这种形式的相变存储器（PCRAM）在未来的内存计算方案中特别有用，该方案通过在内存和处理器之间移动更少的数据来节省机器学习的能源。

PCRAM已经商业化，但它所占的市场份额并不大。它被认为是一种介于两者之间的技术：它像闪存一样是非易失性的，但速度更快。但它的速度比 DRAM（计算机的主存储器）慢，而且它是易失性的。然而，单个相变设备有可能比其他任何一个的单个设备存储更多的数据。

阻碍 PCRAM 发展的问题之一是在状态之间切换需要太多电流。但解决这个问题的努力需要权衡，例如电阻值漂移。在早期的研究中，斯坦福大学的部分团队成功地降低了电流并稳定了电阻。他们的答案是一种称为超晶格的结构，由两种不同的晶体材料重复形成纳米级层。在这种结构中，层之间的原子级间隙限制了热量的流动，因此需要更少的电流来加热结构并改变其相。

然而，这些早期的超晶格器件开关速度太慢，而且尺寸太大（宽度约为 600 纳米），不适合用于逻辑芯片。斯坦福大学博士后研究员Asir Intisar Khan表示，尽管它们表现出更高的能源效率，但该设备的工作电压太高，无法由 CMOS 逻辑驱动。该团队希望了解如果超晶格概念缩小到所需尺寸并满足 CMOS IC 中使用的其他要求，它是否可行，以及这样做是否意味着改进 PCRAM 通常需要进行艰难的权衡。

我们的目标是开发一种快速开关、低电压、低功耗、宽度仅为数十纳米的器件。“我们必须将其缩小到 40 纳米，但同时优化所有这些不同的组件，”Khan 说。“如果不是，业界不会认真对待它。”

要实现这一目标，需要一种新的晶格材料：GST467，这是一种锗、锑和碲比例为 4:6:7 的化合物。GST467 由马里兰大学的研究人员发现，后来与斯坦福大学和台积电的研究人员合作，用于超晶格 PCRAM。这种新材料被认为是纳米复合材料，因为它具有纳米级的晶面。“这些可以作为结晶模板，”斯坦福大学埃里克·波普实验室的博士研究员吴向金解释道。这些模板使设备在写入新位时更容易恢复其晶体结构。

超晶格在 GST467 层和碲化锑层之间交替。Khan、Wu 和他们的团队实现了 40 纳米器件，工作电压为 0.7 伏，开关时间约为 40 纳秒，功耗低于 1.5 皮焦耳。此外，电阻漂移程度较低，可承受约 2 亿次开关周期，并且可以将数据存储为八种不同的电阻状态，以便每个设备进行多位存储或用于模拟机器学习电路。

“通过如此低的开关，逻辑和内存集成成为可能，”Khan说。存储单元可以使用普通逻辑晶体管来控制，而不是像现在那样使用更大的 I/O 设备。

Khan 表示，除了进一步提高设备在较高温度下的耐用性之外，研究人员还将探索将新型 PCRAM 集成到逻辑芯片中可以带来什么样的系统级优势。特别是，它在自下而上构建的实验性3D 芯片中非常有用，而不是像当今一些先进的 CPU 和 GPU 那样，通过仔细连接的已构建的硅 IC 堆栈来构建。新的 PCRAM 非常适合集成在硅或其他层的顶部，因为该器件的形成不需要高温，否则会损坏其下方的层。

台积电MRAM，最新进展

台积电在次世代MRAM记忆体相关技术传捷报，携手工研院开发出自旋轨道转矩磁性记忆体（SOT-MRAM）阵列芯片，搭配创新的运算架构，功耗仅其他类似技术的1%，称霸业界，为台积电抢攻AI、高效能运算（HPC）等当红商机增添动能。业界指出，AI、5G时代来临，包括自驾车、精准医疗诊断、卫星影像辨识等应用，都需要更快、更稳、功耗更低的新世代记忆体，MRAM采用硬碟中常见的精致磁性材料，能满足新世代记忆体需求，吸引三星、英特尔、台积电等大厂投入研发。过去MRAM主要应用在车用或基地台等，由于MRAM架构特性，使得资料保存、写入耐久性及写入速度等三大特点并无法兼得，数年前出现自旋转移扭矩（STT-MRAM ）更新架构，解决上述三大特点无法兼得的问题，并进入商用化。

台积电已经成功开发出22纳米、16／12纳米制程等相关MRAM产品线，并手握记忆体、车用等市场订单，抢占MRAM商机。台积电乘胜追击，与工研院携手开发出SOT-MRAM阵列芯片，搭配创新的运算架构。工研院昨天宣布，此次与台积电合作的开发出SOT-MRAM阵列芯片，搭配创新的运算架构，适用于记忆体内运算，且功耗仅为STT-MRAM的1%，相关研发成果领先国际，并在全球微电子元件领域顶尖会议「国际电子元件会议（IEDM）」共同发表论文，展现次世代记忆体技术的研发能量，维持台湾半导体在全球产业不可或缺的地位。

工研院电子与光电系统所所长张世杰指出，工研院与台积电继去年在全球半导体领域顶尖的「超大型积体技术及电路国际会议」（Symposium on VLSI Technology and Circuits）共同发表论文之后，今年更开发出兼具低功耗、10纳秒高速工作等优点的SOT-MRAM单元。MRAM本身就需要透过精致磁性材料打造，因此需要整合半导体及磁性元件等技术才能生产，过去主要应用在嵌入式记忆体，例如搭配CPU使用作为其快取资料用途。这次工研院、台积电合作研发成果，已经结合电路设计完成记忆体内运算技术，进一步提升运算效能，跳脱MRAM过往以记忆体为主的应用情境。随AI、高效能运算等需求崛起，台积有机会透过SOT-MRAM加上先进封装，整合出更高运算速度的芯片，代表未来不论高效能运算、AI及车用芯片等相关市场，都有机会采用SOT-MRAM，台积将大咬商机。

原文链接

https://spectrum.ieee.org/phase-change-memory

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