我們要求電腦處理越來越多的數據，以加快藥物發現、改善天氣和氣候預測、訓練人工智慧等。為了滿足這項需求，我們需要比以往更快、更節能的電腦記憶體。為此，史丹佛大學的研究人員開發出一種新型相變記憶器，可協助電腦更快、更有效率地處理大量資料。

記憶體技術的創新

史丹佛大學的研究人員證明，一種新材料可使相變記憶體（依靠在高低電阻狀態之間切換來創建電腦資料的1和0）成為未來人工智慧和以資料為中心的系統的改進選擇。最近，《自然-通訊》（Nature Communications）雜誌詳細介紹了他們的可擴展技術，該技術具有快速、低功耗、穩定、持久的特點，並且可以在與商業製造相容的溫度下製造。

史丹佛大學電子工程系Pease-Ye 教授兼材料科學與工程特聘教授Eric Pop 表示：「我們不僅僅是在提高耐力或速度等單一指標，而是同時提高多個指標。這是我們在這一領域建立的最現實、最適合工業的東西。我想把它看作是向通用記憶體邁出的一步。”

相變儲存裝置在高電阻和低電阻狀態下的剖面圖。底部電極的直徑約為40 奈米。箭頭標示了超晶格材料層之間形成的一些范德華（vdW）界面。超晶格在高電阻態和低電阻態之間被破壞和重構。圖源：波普實驗室提供

提高計算效率

如今的電腦在不同的位置儲存和處理資料。易失性記憶體（速度快，但在電腦關機時就會消失）負責處理數據，而非揮發性記憶體（速度不快，但可以在不持續輸入電源的情況下保存資訊）負責長期資料儲存。當處理器等待檢索大量資料時，在這兩個位置之間轉移資訊會造成瓶頸。

論文的共同第一作者、Pop 和Philip Wong（工程學院Willard R. and Inez Kerr Bell 教授）共同指導的博士候選人吳向進（音譯）說：”來回穿梭數據需要耗費大量能源，尤其是在當今的計算工作負載下。有了這種記憶體，我們希望能把記憶體和處理過程更緊密地結合在一起，最終整合到一個設備中，從而減少能耗和時間”。

要實現一種有效的、商業上可行的通用存儲器，既能進行長期存儲，又能進行快速、低功耗處理，同時又不犧牲其他指標，還存在許多技術障礙，但波普實驗室開發的新型相變記憶體是迄今為止任何人在這項技術上取得的最接近目標的成果。研究人員希望它能激勵人們進一步開發和採用這種通用記憶體。

GST467 合金的承諾

這種記憶體依賴GST467，這是一種由四份鍺、六份銻和七份碲組成的合金，由馬裡蘭大學的合作者開發。Pop 和他的同事找到了在超晶格中將這種合金夾在其他幾種奈米薄材料之間的方法，他們以前曾用這種分層結構取得過良好的非揮發性記憶體效果。

“GST467 的獨特成分使其開關速度特別快，”在Pop 實驗室獲得博士學位的Asir Intisar Khan 說，他是這篇論文的共同第一作者。”將它整合到奈米級裝置的超晶格結構中，可以實現低開關能量，為我們提供了良好的耐久性、非常好的穩定性，並使其具有非揮發性–它的狀態可以保持10 年或更長的時間。”

設定新標準

GST467 超晶格通過了幾項重要的基準測試。相變記憶體有時會隨時間發生漂移，即1 和0 的值會緩慢移動，但他們的測試表明，這種記憶體非常穩定。它的工作電壓也低於1 伏特（這是低功耗技術的目標），而且速度明顯快於一般的固態硬碟。

Pop 說：”其他幾種非揮發性記憶體的速度可能更快一些，但它們的工作電壓更高，功耗更大。所有這些計算技術都需要在速度和能耗之間做出權衡。我們能在低於一伏特的電壓下以幾十納秒的速度進行切換，這一點非常重要。”

超晶格還能在狹小的空間中容納大量的記憶細胞。研究人員將記憶單元的直徑縮小到40 奈米，不到冠狀病毒大小的一半。由於超晶格的製造溫度較低，而且採用了先進的製造技術，因此這種方法是可行的。製造溫度遠低於所需的溫度。研究人員正在討論將記憶體堆疊成數千層，以提高密度。這種記憶體可以實現未來的3D分層。

編譯來源：ScitechDaily