數十年來，科學家們一直在為從大型數據中心、到移動感測器、以及其它柔性電子設備，尋找更快、更節能的存儲技術。 當前最具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碟驅動器的數千倍。 但在新興存儲類型中，它並不是最節能的。

超快且節能的柔性相變記憶體（圖自：Asir Intisar Khan）

好消息是，斯坦福大學的工程師們，剛剛克服了限制相變記憶體被廣泛採用的一個關鍵障礙，並在《科學》雜誌上分享了他們的最新研究成果。

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/ 筆記型電腦中的部件。

這項技術未被採用的一個原因，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，相變記憶體可以做到既快速又節能。

與使用晶體管和其它硬體構建的傳統存儲晶片不同，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）三種元素的化合物製成。

以快閃記憶體驅動器為例，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』。

而在相變記憶體中，『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：

典型相變記憶體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衝產生的熱量，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 °F（150 °C）時，會使 GST 化合物變成具有低電阻的結晶狀態。

在大約 1000 °f（600 °c）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，便可運用於記憶體的數據存儲程式設計。

柔性相變記憶體基板 / 一連串彎曲形態（圖自：Crystal Nattoo）

Asir Intisar Khan 解釋稱：「這種巨大的電阻值變化過程是可逆的，並且能夠通過打開和關閉脈衝來引起」。。

即使離開幾年後，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，特性上與傳統快閃記憶體類似。

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，並且可嵌入彎曲的智慧機、可穿戴身體感測器、以及其它基於電池供電的行動裝置上常用的柔性PCB基板上。

研究合著者、博士後學者 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 °F（200 °C）以上出現形變或熔化」。。

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

新元件在柔性基板上將程式設計電流密度降低到了1/10，且能夠在剛性矽材料上降至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。

在運用上述三招之後，其共同顯著地提升了能源效率。

（Science傳送門）

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，並推動智慧家居、生物醫學監視器等實時感測器的發展。

Alwin Daus 表示：「感測器對電池續航有極大的限制，收集原始數據併發送到雲端的效率非常低。 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説明”

Asir Intisar Khan 補充道：

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

若能藉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，且每一個都可用於存儲。

最後，儘管典型相變記憶體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程式設計，這也是邁向靈活記憶體計算的重要一步。

此外若將相變記憶體應用於大型數據中心，當前數據儲存所佔的 15% 電力消耗也可得到極大的緩解。