斯坦福研究人员借助新材料研发出通用存储器 有助于搭建超高效内存矩阵

斯坦福研究人员借助新材料研发出通用存储器 有助于搭建超高效内存矩阵 内存技术的创新斯坦福大学的研究人员证明，一种新材料可使相变存储器（依靠在高低电阻状态之间切换来创建计算机数据的1和0）成为未来人工智能和以数据为中心的系统的改进选择。最近，《自然-通讯》（Nature Communications）杂志详细介绍了他们的可扩展技术，该技术具有快速、低功耗、稳定、持久的特点，并且可以在与商业制造兼容的温度下制造。斯坦福大学电子工程系 Pease-Ye 教授兼材料科学与工程特聘教授 Eric Pop 说："我们不仅仅是在提高耐力或速度等单一指标，而是在同时提高多个指标。这是我们在这一领域建立的最现实、最适合工业的东西。我想把它看作是向通用存储器迈出的一步。"相变存储器件在高电阻和低电阻状态下的截面图。底部电极的直径约为 40 纳米。箭头标记了超晶格材料层之间形成的一些范德华（vdW）界面。超晶格在高电阻态和低电阻态之间被破坏和重构。 图源：波普实验室提供提高计算效率如今的计算机在不同的位置存储和处理数据。易失性内存（速度快，但在计算机关机时就会消失）负责处理数据，而非易失性内存（速度不快，但可以在不持续输入电源的情况下保存信息）负责长期数据存储。当处理器等待检索大量数据时，在这两个位置之间转移信息会造成瓶颈。论文的共同第一作者、Pop 和 Philip Wong（工程学院 Willard R. and Inez Kerr Bell 教授）共同指导的博士候选人吴向进（音译）说："来回穿梭数据需要耗费大量能源，尤其是在当今的计算工作负载下。有了这种存储器，我们希望能把存储器和处理过程更紧密地结合在一起，最终整合到一个设备中，从而减少能耗和时间"。要实现一种有效的、商业上可行的通用存储器，既能进行长期存储，又能进行快速、低功耗处理，同时又不牺牲其他指标，还存在许多技术障碍，但波普实验室开发的新型相变存储器是迄今为止任何人在这项技术上取得的最接近目标的成果。研究人员希望它能激励人们进一步开发和采用这种通用存储器。GST467 合金的承诺这种存储器依赖于 GST467，这是一种由四份锗、六份锑和七份碲组成的合金，由马里兰大学的合作者开发。Pop 和他的同事找到了在超晶格中将这种合金夹在其他几种纳米薄材料之间的方法，他们以前曾用这种分层结构取得过良好的非易失性存储器效果。"GST467 的独特成分使其开关速度特别快，"在 Pop 实验室获得博士学位的 Asir Intisar Khan 说，他是这篇论文的共同第一作者。"将它集成到纳米级器件的超晶格结构中，可以实现低开关能量，为我们提供了良好的耐久性、非常好的稳定性，并使其具有非易失性它的状态可以保持 10 年或更长的时间。"设定新标准GST467 超晶格通过了几项重要的基准测试。相变存储器有时会随时间发生漂移，即 1 和 0 的值会缓慢移动，但他们的测试表明，这种存储器非常稳定。它的工作电压也低于 1 伏（这是低功耗技术的目标），而且速度明显快于一般的固态硬盘。Pop 说："其他几种非易失性存储器的速度可能更快一些，但它们的工作电压更高，功耗更大。所有这些计算技术都需要在速度和能耗之间做出权衡。我们能在低于一伏特的电压下以几十纳秒的速度进行切换，这一点非常重要。"超晶格还能在狭小的空间内容纳大量的记忆细胞。研究人员将记忆单元的直径缩小到 40 纳米，不到冠状病毒大小的一半。由于超晶格的制造温度较低，而且采用了先进的制造技术，因此这种方法是可行的。制造温度远远低于所需要的温度。研究人员正在讨论将存储器堆叠成数千层，以提高密度。这种存储器可以实现未来的3D分层。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

研究人员开发出一种新型相变存储器 结合DRAM和NAND的优点

研究人员开发出一种新型相变存储器 结合DRAM和NAND的优点 DRAM 速度快但易挥发，这意味着当电源被切断时（比如当你关闭电脑时），存储在其中的数据就会消失。而NAND 闪存（如固态硬盘中使用的闪存）即使断电也能保留数据，但速度又明显慢于 DRAM。PCM 既快又不会丢失数据，但传统上制造成本高，耗电量大（将相变材料熔化成非晶态需要热量，这就影响了能效）。早期解决高功耗问题的方法主要是通过尖端光刻技术缩小整个设备的物理尺寸。但改进效果微乎其微，而且在更小的技术上制造所增加的成本和复杂性也不合理。Shinhyun Choi 教授和团队设计了一种方法，只缩小直接参与相变过程的元件，从而制造出可相变的纳米丝。与使用昂贵的光刻工具制造的传统相变存储器相比，这种新方法将功耗降低了 15 倍，而且制造成本也低得多。新型相变存储器保留了传统存储器的许多特性，如速度快、开/关比率大、变化小以及多级存储器特性。Choi说，他们希望研究成果能成为未来电子工程的基础，并能惠及高密度三维垂直存储器、神经形态计算系统、边缘处理器和内存计算系统等应用。该团队的研究成果发表在本月早些时候出版的《自然》杂志上，论文标题为《通过相变自约束纳米丝实现相变记忆》： ... PC版： 手机版：

中国科学家领衔研发液态金属成膜新技术 成功构建新型“人工树叶”

中国科学家领衔研发液态金属成膜新技术 成功构建新型“人工树叶” 这项由中国科学家领导完成的重要新能源材料研究成果论文，近日以“液态金属镶嵌的人工光合成膜”为题在国际学术期刊《自然-通讯》(Nature Communications)上发表。图1. 基于低温液态金属镶嵌半导体颗粒制备嵌入式半导体光活性薄膜图2. 非嵌入型与嵌入式BiVO4薄膜的光生电荷提取能力对比图3. 嵌入式BiVO4光电极的光电化学分解水活性评价图4. 利用半导体颗粒植入技术构建的嵌入式Z型仿生人工光合成面板及其可见光驱动的全分解水活性评价图5. 金属镶嵌半导体颗粒人工光合成膜制备技术具备普适性好、易规模化、膜结构稳定性高和易回收利用等优点论文通讯作者刘岗研究员指出，基于太阳能光催化分解水的绿氢制备技术属于前沿和颠覆性低碳技术，其走向应用的关键是构建高效、稳定且低成本的太阳能驱动半导体光催化材料薄膜即“人工树叶”。目前，常用的薄膜制备技术因制备环境苛刻或成膜质量差，难以满足太阳能光催化分解水制氢的实际应用需求。在自然界，植物光合作用实现太阳能到化学能的转化过程中，植物叶子中起光合作用的光系统II和光系统I，是以镶嵌形式存在于叶绿体的类囊体膜中，这一特征是自然光合作用能有效运行的重要结构基础。受此启发，在本项研究中，研究团队利用熔融的低温液态金属作为导电集流体和粘结剂在选定基体上规模化成膜，结合辊压技术进行半导体颗粒的嵌入集成，实现了半导体颗粒的规模化植入。刘岗介绍说，半导体颗粒镶嵌在液态金属导电集流体薄膜中形成三维立体的强接触界面，其结构犹如“鹅卵石路面”，使得其不仅具有优异的结构稳定性还具有十分突出的光生电荷收集能力。以钒酸铋为例，嵌入式钒酸铋颗粒的光电极活性相比传统的非嵌入式钒酸铋光电极高出2倍，且长时连续工作120小时几乎无活性衰减；光电极从1平方厘米放大至64平方厘米后，单位面积的光电流密度仍可保持约70%，远优于目前所知大面积钒酸铋光电极小于30%的活性保持率。在此基础上，进一步同时嵌入产氧和产氢光催化材料，可实现光催化分解水制氢面板的规模化制备，在可见光照射下，其活性是传统非嵌入式金薄膜支撑光催化材料膜的近3倍，超过上百小时持续工作无衰减。刘岗表示，本次研发的液态金属成膜新技术还具有普适性好和原材料易回收等优势，利用氧化锌、三氧化钨、氧化亚铜等商业化半导体颗粒，可实现不同半导体颗粒薄膜在不同基体上的规模化制备，所获得的颗粒嵌入式薄膜的活性均显著优于对照的非嵌入式样品。此外，在柔性基体上集成的薄膜在大曲率弯折10万次后仍可保持95%以上的初始活性。在循环和高效利用方面，通过简单的热水超声处理，即可将半导体颗粒、低温液态金属以及基体进行分离回收再利用，且回收再集成获得的人工光合成薄膜表现出与原始薄膜近乎相同的活性。 ... PC版： 手机版：

研究人员开发出一种利用磁子传输量子信息的新方法

研究人员开发出一种利用磁子传输量子信息的新方法 HZDR 的研究人员成功地在磁盘中产生了类似于波的激发即所谓的磁子来专门操纵碳化硅中原子大小的量子比特。这为量子网络中的信息传输开辟了新的可能性。图片来源：HZDR / Mauricio Bejarano为了满足这一需求，德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心（HZDR）的一个研究小组现在推出了一种传输量子信息的新方法：该小组通过利用磁子（磁性材料中的波状激起）的磁场来操纵量子比特（即所谓的量子比特），磁子发生在微观磁盘中。研究人员在《科学进展》（Science Advances）杂志上发表了他们的研究成果。建造可编程的通用量子计算机是当代最具挑战性的工程和科学研究之一。这种计算机的实现为物流、金融和制药等不同行业领域带来了巨大潜力。然而，由于量子计算机技术在存储和处理信息时存在固有的脆弱性，因此阻碍了实用量子计算机的建造。量子信息被编码在量子比特中，而量子比特极易受到环境噪声的影响。微小的热波动（几分之一度）就可能完全破坏计算。这促使研究人员将量子计算机的功能分布在不同的独立构件中，以努力降低出错率，并利用这些构件的互补优势。"然而，这就带来了一个问题，即如何在模块之间传输量子信息，使信息不会丢失，"HZDR 研究员、该刊物第一作者毛里西奥-贝哈拉诺（Mauricio Bejarano）说。"我们的研究正是在这个特定的利基上，在不同的量子模块之间传输通信。"目前，传输量子信息和寻址量子比特的既定方法是通过微波天线。这是Google和 IBM 在其超导芯片中使用的方法，也是在这场量子竞赛中处于领先地位的技术平台。"而我们则是通过磁子来寻址量子比特。磁子可被视为穿过磁性材料的磁激发波。这样做的好处是，磁子的波长在微米范围内，比传统微波技术的厘米波短得多。因此，磁子的微波足迹在芯片中花费的空间更少。HZDR 小组研究了磁子与碳化硅晶体结构中硅原子空位形成的量子比特的相互作用，碳化硅是一种常用于大功率电子器件的材料。这类量子比特通常被称为自旋量子比特，因为量子信息是由空位的自旋状态编码的。但是，如何利用磁子来控制这类量子比特呢？"通常情况下，磁子是通过微波天线产生的。"贝哈拉诺解释说："这就带来了一个问题，即很难将来自天线的微波驱动与来自磁子的微波驱动分离开来。"为了将微波从磁子中分离出来，HZDR 团队利用了一种在镍铁合金微观磁盘中可以观察到的奇特磁现象。"由于非线性过程，磁盘内的一些磁子具有比天线驱动频率低得多的频率。我们只用这些频率较低的磁子来操纵量子比特"。研究小组强调，他们还没有进行任何量子计算。不过，他们表明，完全用磁子处理量子比特从根本上是可行的。"迄今为止，量子工程界还没有意识到磁子可以用来控制量子比特，"Schultheiß强调说。"但我们的实验证明，这些磁波确实可以派上用场"。为了进一步发展他们的方法，研究小组已经在为未来的计划做准备：他们想尝试控制几个间距很近的单个量子比特，让磁子介导它们的纠缠过程这是进行量子计算的先决条件。他们的设想是，从长远来看，磁子可以被直接电流激发，其精确度可以达到在量子比特阵列中专门针对单个量子比特。这样就可以将磁子用作可编程量子总线，以极其有效的方式寻址量子比特。虽然未来还有大量工作要做，但该研究小组的研究强调，将磁子系统与量子技术相结合，可以为未来开发实用量子计算机提供有益的启示。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

麻省理工学院研究人员展示快速打印金属的新方法

麻省理工学院研究人员展示快速打印金属的新方法 麻省理工学院的一个团队本周公布了一种新方法，该方法优先考虑打印速度和规模（物体大小），而不是分辨率。据介绍，该系统打印大型铝制部件的速度"比同类金属快速成型制造工艺至少快 10 倍。液态金属打印（LMP）利用 100 微米的玻璃珠形成一个结构，将熔化的铝沉积其中，这一过程与注塑成型并无二致。玻璃珠能够承受高温，同时在金属凝固时迅速散热。鉴于铝被归类为"无限可回收"的材料，这项工作背后的团队设想将这一系统与将金属熔化成熔体的机器配对使用。这样的组合对于建筑工地来说可能是无价之宝，能以更低的成本实现更快的速度和更大的物体。不过，至少有一个很大的注意事项：分辨率。从图片中可以看出，最终产品的精确度远不及其他一些方法。制作出的金属物体凹凸不平，与逐层挤出塑料的熔融沉积建模（FDM）产品十分相似。当然，也可以对铝材进行打磨，但这很可能需要额外的时间和金钱，大多数人都不愿意在加工过程中引入这种工艺。"液态金属印刷在生产定制几何形状金属零件的能力方面确实走在了前列，同时还能保持快速周转，这在其他印刷或成型技术中通常是无法实现的，这项技术绝对有潜力彻底改变目前处理金属印刷和金属成型的方式。"Emeco 公司的 Jaye Buchbinder 说，该公司是一家家具公司，为这项研究提供了资金支持。 ... PC版： 手机版：

研究人员在高精度计算中释放忆阻器的威力

研究人员在高精度计算中释放忆阻器的威力 麻省理工大学阿默斯特分校制作的集成芯片示例照片，其中包含不同尺寸的忆阻器横条阵列。图片来源：Can Li马萨诸塞大学阿默斯特分校电气与计算机工程系教授、《科学》（Science）杂志上发表的这项研究的通讯作者之一夏强飞解释说，在当前的计算方法下，每次要存储信息或给计算机布置任务时，都需要在内存和计算单元之间移动数据。当复杂的任务需要移动大量数据时，处理过程中就会出现"交通堵塞"。传统计算解决这一问题的方法之一是增加带宽。相反，Xia 和他在阿默斯特大学、南加州大学以及计算技术制造商 TetraMem 公司的同事们利用模拟忆阻器技术实现了内存计算，通过减少数据传输次数来避免这些瓶颈。该团队的内存计算依赖于一种名为"忆阻器"的电子元件它是内存和电阻器（控制电路中的电流）的结合体。忆阻器可以控制电路中的电流流向，同时还能"记忆"先前的状态，即使在电源关闭的情况下也是如此，这与当今基于晶体管的计算机芯片不同，后者只能在有电的情况下保存信息。忆阻器装置可编程为多个电阻等级，从而提高了一个单元的信息密度。当这种忆阻器电路被组织成一个交叉棒阵列时，就能以大规模并行的方式利用物理定律进行模拟计算，从而大大加快矩阵运算的速度，而矩阵运算是神经网络中最常用但却非常耗电的计算。计算在设备现场进行，而不是在内存和处理之间移动数据。夏用交通作类比，把内存计算比作大流行病高峰期几乎空无一人的道路："你消除了交通，因为（几乎）每个人都在家工作，"他说。"我们同时工作，但只将重要数据/结果发送出去"。此前，这些研究人员已经证明，他们的忆阻器可以完成低精度计算任务，如机器学习。其他应用还包括模拟信号处理、射频传感和硬件安全。夏说："在这项工作中，我们提出并演示了一种新的电路架构和编程协议，它可以使用多个相对低精度的模拟器件（如忆阻器）的加权和来有效地表示高精度数，与现有的量化方法相比，大大降低了电路开销、能耗和延迟。这篇论文的突破在于，我们进一步推动了这一领域的发展。这项技术不仅适用于低精度的神经网络计算，也适用于高精度的科学计算"。在原理验证演示中，忆阻器解决了静态和时变偏微分方程、纳维-斯托克斯方程和磁流体力学问题。他说："我们突破了自己的舒适区，从边缘计算神经网络的低精度要求扩展到高精度科学计算。"马萨诸塞大学阿默斯特分校的团队和合作者花了十多年时间才设计出合适的忆阻器设备，并为模拟内存计算构建了相当规模的电路和计算机芯片。"我们过去十年的研究使模拟忆阻器成为一项可行的技术。现在是时候把这样一项伟大的技术推向半导体行业，使广大的人工智能硬件社区受益了。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：