新型數據存儲：阻變存儲器可能更節能

      集成電路，俗稱“芯片”，是信息技術產業的核心，被譽為國家的工業糧食。而存儲器是存儲信息的主要載體，占集成電路市場的四分之一，我國存儲器市場占全球市場的一半，但缺乏自主知識產權和人才，導致高密度、大容量存儲器完全依賴進口。這給我國的信息安全帶來了極大的隱患。 
      由IBM電子工程師出身的黃漢森教授(H. S. Philip Wong)領導的團隊，在深入研究一種新型數據存儲技術。對于智能手機和其他電子移動設備而言，高效節能是用戶選擇的最關鍵的一點的，因此這種數據存儲技術將是這些設備的理想選擇。
    這種新型數據存儲技術產品稱為阻變存儲器，縮寫為RRAM。阻變存儲器基于一種新型半導體材料，此種半導體材料能夠以阻止或允許通過電子流的方式，形成狀態值“0”和“1”。阻變存儲器具有硅材料不具備的應用潛力，比如：以新的三維體，層疊在計算機晶體管頂部，形成“高層芯片”，將獲得比目前的電子芯片更快的處理速度和更高的能效。
      但是，盡管工程師們可以觀察到阻變存儲器確實能夠存儲數據，卻并不知道這種新材料的具體工作原理。“在我們預期制造出可靠設備之前，我們還需要掌握有關阻變存儲器更多基本工作原理和精確信息。”黃教授說。
      斯坦福大學團隊的研究生姜子臻對相關基礎理論進行了解釋。她說，阻變存儲器材料是絕緣體，其在正常狀態下不允許電流通過。但是，在某些情況下，可以對絕緣體進行誘導，使其允許通過電子流。過去的研究已經表明，以電場震蕩阻變存儲器材料，可以導致形成一個允許電子流通過的路徑。該路徑被稱為導電細絲。為了阻斷導電細絲，研究人員應用了另一個震蕩，使材料重新成為絕緣體。所以，每個震蕩可以將阻變存儲器的狀態值從“0”切換至“1”，或者相反，從而使這種材料可應用于數據存儲。
     但是，在阻變存儲器的狀態切換過程中，電力并不是唯一的作用力。泵浦電子進入任何材料均會提高其溫度。這正是電爐的原理。就阻變存儲器來說，則是以對材料施加電壓的方式提高其溫度，從而形成或阻斷導電細絲。但問題是應該應用何種電壓/溫度狀態呢？以前，斯坦福大學的新研究人員認為，開關點是足以產生大約1160華氏度高溫的短脈沖電壓，其熱度足以將鋁融化。不過，這只是估計，因為并沒有辦法測量電震蕩產生的熱量。
“為了解答這個問題，我們不得不分別研究電壓和溫度對形成導電細絲的影響，”團隊的另一位研究生王子文（音譯）說。斯坦福大學的研究人員必須在不使用電場的條件下加熱阻變存儲器材料，所以他們將阻變存儲器芯片放在一個微加熱臺（MTS）裝置上。這是一種復雜的熱板，能夠在材料內部產生廣泛的溫度變幅。當然，其目的并非只是加熱材料，而且還要測量如何形成導電細絲。為此，他們利用了阻變存儲器材料在其自然狀態下是絕緣體，這使其狀態值為“0”；而一旦形成導電細絲，電子就會流動，研究人員可以檢測到其狀態值由“0”變為“1”。
     利用該科學原理，研究團隊將阻變存儲芯片放在微加熱臺（MTS）裝置上上進行加熱，起始溫度約為80華氏度——差不多是一個溫暖房間的溫度，然后一直加熱至1520華氏度，此時熱度足以融化銀幣。研究人員在這兩個極端溫度范圍內對阻變存儲器加熱，并精確測量阻變存儲器是否以及如何從其自然狀態值“0”切換至狀態值“1”。
    研究人員驚喜地觀察到，當環境溫度處于80華氏度與260華氏度之間時，能夠更有效地形成導電細絲。260華氏度略高于沸水溫度，這顯然不同于之前認為越熱越好的猜測。若在后續研究中證實這點，這將是個好消息，因為可以通過電壓和電震蕩持續時間實現工作芯片開關溫度。在較低溫度下實現有效切換，意味著耗電更少，這將使得阻變存儲器更節能。因此，當其用來作為移動設備的內存時，將延長電池壽命。
    雖然將阻變存儲器投入實際使用依舊任重道遠，然而，此項研究提供了系統甄別不同條件的試驗基礎，而不是依賴臧否參半的主觀臆斷。
   “現在，我們能夠以預測方式使用電壓和溫度作為設計輸入，這將使我們能夠設計更好的內存設備，”黃教授說。

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