韩国科学技术院研发出用于神经形态计算的新型超低功耗存储器

韩国科学技术院研发出用于神经形态计算的新型超低功耗存储器韩国科学技术院（KAIST）（院长Kwang-HyungLee）4月4日宣布，电气工程学院ShinhyunChoi教授的研究团队开发出了下一代相变存储器*设备，具有超低功耗的特点，可以取代DRAM和NAND闪存。相变记忆体指的是一种存储和/或处理信息的存储器件，利用热量将材料的结晶状态改变为非晶态或结晶态，从而改变其电阻状态。现有的相变存储器存在一些问题，如制造高比例器件的制造工艺昂贵，运行时需要大量电力。为了解决这些问题，Choi教授的研究团队开发出了一种超低功耗相变存储器件，它不需要昂贵的制造工艺，而是通过电学方法形成非常小的纳米（nm）级相变丝。这一新研发成果具有突破性的优势，不仅加工成本极低，而且还能以超低功耗运行。DRAM是最常用的存储器之一，速度非常快，但具有易失性，当电源关闭时数据就会消失。存储设备NAND闪存的读/写速度相对较慢，但它具有非易失性特点，即使在电源切断时也能保存数据。图1.本研究开发的超低功耗相变存储器件的图示，以及新开发的相变存储器件与传统相变存储器件的功耗对比。资料来源：韩国科学技术院新兴纳米技术与集成系统研究所另一方面，相变存储器结合了DRAM和NAND闪存的优点，具有高速和非易失性的特点。因此，相变存储器作为可替代现有存储器的下一代存储器备受瞩目，目前正被作为一种存储器技术或模拟人脑的神经形态计算技术而积极研究。然而，传统的相变存储器件在运行时需要消耗大量电能，因此难以制造出实用的大容量存储器产品或实现神经形态计算系统。为了最大限度地提高存储器件运行时的热效率，以前的研究工作主要集中在通过使用最先进的光刻技术缩小存储器件的物理尺寸来降低功耗，但这些研究在实用性方面受到了限制，因为功耗的改善程度微乎其微，而成本和制造难度却随着每次改进而增加。为了解决相变存储器的功耗问题，ShinhyunChoi教授的研究团队创造了一种在极小面积内电形成相变材料的方法，成功实现了超低功耗相变存储器件，其功耗比使用昂贵的光刻工具制造的传统相变存储器件低15倍。ShinhyunChoi教授对这项研究未来在新研究领域的发展充满信心，他说："我们开发的相变存储器件意义重大，因为它提供了一种新颖的方法，可以解决生产存储器件过程中的遗留问题，同时大大提高制造成本和能源效率。我们期待我们的研究成果能成为未来电子工程的基础，实现包括高密度三维垂直存储器和神经形态计算系统在内的各种应用，因为它开辟了从多种材料中进行选择的可能性。我要感谢韩国国家研究基金会和国家纳米实验室中心对这项研究的支持。"4月4日，国际著名学术期刊《自然》（Nature）4月刊发表了这项研究的论文，KAIST电气工程学院博士生See-OnPark和博士生SeokmanHong作为第一作者参与了这项研究。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1426588.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1426588.htm

诺贝尔获奖化学成果催生下一代储能设备

诺贝尔获奖化学成果催生下一代储能设备该装置由通过新一代化学反应合成的材料组成，三位科学家因此获得了2022年诺贝尔化学奖。聚合物薄膜电容器是一种电气元件，利用薄塑料层作为绝缘层，在电场中存储和释放能量。聚合物薄膜电容器约占全球高压电容器市场的50%，具有重量轻、成本低、机械灵活性强、可循环使用等优点。但是，最先进的聚合物薄膜电容器的性能会随着温度和电压的升高而急剧下降。开发耐热性和耐电场性更强的新材料至关重要；而创造化学性近乎完美的聚合物则提供了实现这一目标的途径。"我们的研究为电稳健聚合物增添了一个新类别。它为探索更坚固、更高性能的材料开辟了许多可能性，"伯克利实验室化学家、报告这项工作的焦耳研究的资深作者YiLiu说。Liu是伯克利实验室能源部科学办公室用户设施分子铸造厂的有机和大分子合成设施主任。除了在高温下保持稳定之外，电容器还需要是一种强"介电"材料，这意味着它在承受高电压时仍是一种强绝缘体。然而，目前已知的材料系统很少能同时提供热稳定性和介电强度。造成这种稀缺性的原因是缺乏可靠、方便的合成方法，以及对聚合物结构与性能之间关系缺乏基本了解。刘说："提高现有薄膜的热稳定性，同时保持其电绝缘强度，是一项持续的材料挑战。"分子铸造厂的研究人员与斯克里普斯研究所的研究人员长期合作，现已解决了这一难题。他们利用2014年开发的一种简单快速的化学反应，将含氟硫键化合物中的氟原子置换出来，生成了名为聚硫酸盐的硫酸盐分子长聚合物链。多硫酸盐具有优异的热性能，可浇铸成柔韧的独立薄膜。以这种薄膜为基础的高温高压电容器在150摄氏度的高温下显示出最先进的储能特性。这种电力电容器有望提高电气化交通等高要求应用中集成电力系统的能效和可靠性。资料来源：YiLiu和He(Henry)Li/伯克利实验室这种氟化硫交换（SuFEx）反应是由斯克里普斯研究所化学家、两届诺贝尔化学奖得主巴里-夏普莱斯（K.BarrySharpless）与同为斯克里普斯研究所化学家的吴鹏（PengWu）共同开创的点击化学反应的下一代版本。这种近乎完美而又易于操作的反应通过不同反应基团之间形成的强化学键将独立的分子实体连接起来。Liu的团队最初使用各种热分析工具来研究这些新材料的基本热性能和机械性能。作为伯克利实验室合成和鉴定可用于储能的新型材料计划的一部分，Liu和他的同事们现在发现，令人惊讶的是，聚硫酸盐具有出色的介电性能，尤其是在高电场和高温度下。"有几种商用和实验室生成的聚合物因其介电性能而闻名，但聚硫酸盐从未被考虑过。分子铸造厂和伯克利实验室材料科学部的博士后研究员、本研究的第一作者HeLi说："多硫酸盐与介电质的结合是本研究的新颖之处之一。Liu受到多硫酸盐优异的基线介电性能的启发，研究人员在这种材料的薄膜上沉积了极薄的氧化铝（Al2O3）层，从而设计出了具有更强储能性能的电容器设备。他们发现，制造出的电容器具有出色的机械柔韧性，能承受每米超过7.5亿伏特的电场，并能在高达150摄氏度的温度下高效工作。相比之下，目前的基准商用聚合物电容器只能在低于120摄氏度的温度下稳定工作。超过这个温度，它们只能承受每米小于5亿伏特的电场，能效严重下降一半以上。这项工作为探索坚固耐用的高性能储能材料提供了新的可能性。吴说："我们深入了解了这种材料具有卓越性能的内在机理。"这种聚合物兼顾了电学、热学和机械性能，这很可能得益于点击化学反应中引入的硫酸盐连接。由于模块化化学反应具有非凡的结构多样性和可扩展性，因此同样的途径可以提供一条通往性能更高的新型聚合物的可行之路，从而满足更苛刻的操作条件。这些聚硫酸盐是成为最先进的新型聚合物电介质的有力竞争者。一旦科学家们克服了薄膜材料大规模制造工艺的障碍，这些设备就能极大地提高电动汽车集成动力系统的能效，并增强其运行可靠性。夏普勒斯说："谁能想到，一层微弱的硫酸盐聚合物薄膜能抵御闪电和火焰这两种宇宙中最具破坏力的力量呢？""我们正在不断突破热性能和电性能的极限，加速从实验室到市场的转变，"Liu补充道。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1378789.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1378789.htm

压力下的原子：研究人员看到超高效计算内存的曙光

压力下的原子：研究人员看到超高效计算内存的曙光艺术家绘制的二维材料效果图，这种材料经过战略应变，处于两种不同的晶相之间。罗切斯特大学助理教授斯蒂芬-吴（StephenWu）正在利用这种材料制造混合相变忆阻器，以提供快速、低功耗和高密度的计算存储器。图片来源：罗切斯特大学插图/MichaelOsadciw混合电阻开关这种方法是由电子与计算机工程和物理学助理教授StephenM.Wu的实验室开发的，它结合了现有的两种用于存储器的电阻开关形式：忆阻器和相变材料的最佳品质。与当今最普遍的存储器形式（包括动态随机存取存储器（DRAM）和闪存）相比，这两种形式都具有优势，但也有缺点。吴说，忆阻器的工作原理是在两个电极之间的细丝上施加电压，与其他形式的存储器相比，它往往缺乏可靠性。同时，相变材料需要选择性地将一种材料熔化成非晶态或结晶态，需要消耗过多的电能。存储器技术的突破研究人员们把忆阻器和相变器件的理念结合在一起，超越了这两种器件的局限性。"我们正在制造一种双端忆阻器装置，它能将一种晶体驱动到另一种晶体相位。这两种晶体相具有不同的电阻，然后你可以将其存储为存储器。"吴介绍说。关键在于利用二维材料，这种材料可以被拉伸到在两种不同晶相之间的临界部位，并且可以用相对较小的力量向任一方向推移。工程与合作吴说："我们的工程设计本质上只是在一个方向上拉伸材料，在另一个方向上压缩材料。通过这样做，性能可以提高几个数量级。在我看来，这种材料最终可以作为一种超快、超高效的内存形式应用于家用电脑。这可能会对整个计算产生重大影响。"吴和他的研究生团队开展了实验工作，并与罗切斯特机械工程系的研究人员（包括助理教授赫萨姆-阿斯卡里和索比特-辛格）合作，确定在哪里以及如何对材料施加应变。制造相变忆阻器的最大障碍是继续提高其整体可靠性，但他对团队迄今取得的进展感到鼓舞。参考文献"垂直二碲化钼相变忆阻器的应变工程"，作者：侯文辉、AhmadAzizimanesh、AdityaDey、杨玉峰、王无修、邵晨、吴辉、HesamAskari、SobhitSingh和StephenM.Wu，2023年11月23日，《自然-电子学》。DOI:10.1038/s41928-023-01071-2编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1402467.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1402467.htm

革命性的相变纳米油墨：建筑物和汽车中高能效气候控制的未来

革命性的相变纳米油墨：建筑物和汽车中高能效气候控制的未来新的油墨使用纳米技术来控制日常环境中的温度。资料来源：墨尔本大学MohammadTaha博士世界首创的"相变油墨"可以改变我们加热和冷却建筑物、家庭和汽车的方式--实现复杂的"被动气候"控制--已经被开发出来，具有帮助减少能源使用和全球温室气体排放的巨大潜力。由MohammadTaha博士领导的发表在英国皇家化学会《材料化学》杂志上的新研究记录了概念验证的"相变油墨"，该油墨使用纳米技术来控制日常环境中的温度。它们通过根据周围环境调整能够通过它们的辐射量来实现这一目的。Taha博士说，这些油墨可以用来开发涂层，以实现被动的加热和冷却，减少我们依赖能源创造来调节温度的需要。"人类使用大量的能源来创造和维持舒适的环境--加热和冷却我们的建筑物、住宅、汽车，甚至是我们的身体，"Taha博士说。"我们不能再只关注从可再生资源中产生的能源来减少我们对环境的影响。随着气候变化的影响成为现实，我们还需要考虑减少我们的能源消耗，作为我们提出的能源解决方案的一部分。通过对我们的油墨进行工程设计，使其对周围环境作出反应，我们不仅减少了能源支出，而且还消除了对控制温度的辅助控制系统的需要，这是一种额外的能源浪费。"被动式气候控制将实现舒适的生活条件，而不会不必要地消耗能源。例如，为了在冬季提供舒适的供暖，应用于建筑外墙的油墨可以自动转变，以便在白天让更多的太阳辐射通过，并在夜间提供更多的保温措施以保持温暖。在夏天，它们可以形成一个屏障，阻挡来自太阳和周围环境的热辐射。多功能的"相变油墨"是一个概念验证，可以层压、喷涂或添加到涂料和建筑材料中。它们还可以被纳入衣服中，在极端环境中调节体温，或用于创建大规模、灵活和可穿戴的电子设备，如可弯曲的电路、照相机和探测器，以及气体和温度传感器。Taha博士说："我们的研究消除了以前对大规模廉价应用这些油墨的限制。这意味着现有的结构和建筑材料可以被改造。随着制造业的发展，这些油墨可以在5到10年内进入市场。通过与工业界的合作，我们可以扩大规模并将它们整合到现有的和新的技术中，作为解决世界气候变化能源挑战的整体方法的一部分。这种材料的潜力是巨大的，因为它可以用于许多不同的目的--比如防止笔记本电脑电子产品的热量积聚或汽车挡风玻璃上。但这种材料的好处是，我们可以调整它的吸热特性以适应我们的需要。目前，一种不同类型的相变材料已被用于制造智能玻璃，但我们的新材料意味着我们可以设计出更智能的砖块和涂料。这种新的纳米技术可以帮助改造现有的建筑物，使其更有效率。这对环境更有利，对未来也是可持续的"。这一突破是通过发现如何修改"相变材料"的主要成分之一--氧化钒（VO2）实现的。相变材料使用触发器，如热或电，以创造足够的能量，使材料在压力下自我转化。然而，相变材料以前需要被加热到非常高的温度，才能激活其'相变'特性。Taha博士说："我们利用我们对这些材料是如何组合在一起的理解来测试我们如何能够触发绝缘体到金属（IMT）的反应，在这种情况下，材料基本上作为一个开关，阻止热量超过一个特定的温度--接近室温（30-40oC）。下一步工作将涉及将墨尔本大学的专利研究推向生产。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1353257.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1353257.htm

什么才是内存的未来？MRAM最被看好

什么才是内存的未来？MRAM最被看好而在傲腾谢幕之后，又有哪些技术值得大家关注呢？来自CoughlinAssociates的TomCoughlin和来自ObjectiveAnalysis的JimHandy近期发布了一份报告，两位半导体分析师对目前五种新兴存储技术的前景进行了详尽的分析，从中我们或许可以窥得技术发展的一角。分析师首先总结了傲腾失败的经验教训，半导体制造的本质是产量越高，成本越低，有了傲腾，英特尔本可以提高产能来降价，并带动芯片销量，但傲腾一开始的产能并不充沛，这意味着芯片成本较高，且必须自己承担这部分损失，必须在销量不断上升，直到证明产能增加的合理性，最终降低每块芯片的成本，从而大幅盈利。这也表明了规模经济在新兴存储器市场发挥的作用可能比我们想象的还要大，报告中给出了一个结论，即晶圆体积必须接近竞争技术体积的10%，才能实现成本均等。而在傲腾逐步走向失败的过程中，有五种新兴存储技术开始登上舞台，包括MRAM、相变存储器(PCM)、铁电RAM(FERAM)、电阻式存储器RAM(ReRAM)和NRAM/UltraRAM，它们有望超越NAND和NOR的扩展限制，且功耗比DRAM和SRAM更低。01FRAM/FeRAM1952年发明的FRAM是历史最悠久的新兴存储器，时至今日，已经有超过40亿颗FRAM芯片搭载于各类设备中。尽管名字里带铁，但FRAM并没有实用任何铁，它只是具有一个类似于铁磁性的磁滞回线，并且该磁滞回线允许它存储数据，FRAM的原理是利用某些晶格的独特物理特性，在铁电材料中，原子可以占据晶格内两个稳定位置之一，电场将晶格内的移动原子移动到两个稳定位置之一，具体取决于电场的极性和一些物理属性（可能是电容或电阻），取决于被捕获原子的位置。目前也有多家厂商还在生产FRAM，例如英飞凌主要生产分立FRAM芯片，而德州仪器和富士通则将该技术嵌入到MCU中，富士通还在地铁车票里嵌入了FRAM，而此用途的主要原因是是FRAM的写入能耗是存储技术中相对最低的。为什么FRAM发明了这么久，生产了数十亿颗芯片后依旧不为人知，还被列入新兴存储技术呢？原因是FRAM之前主要基于锆钛酸铅(PZT)和钽酸锶铋(SBT)，但这两种材料都包含铅或铋，会对晶圆厂造成污染，因而限制了它的产能，幸运的是，2011年人们发现氧化铪（HfO）在某些条件下具有铁电特性。HfO是FinFET中使用的高K栅极电介质的基础，不仅解决了产能问题，而且不会造成污染，因而尽管HfO还没有正式用来生产，但未来前景十分广阔。与闪存相比，FRAM的优势包括功耗更低、写入速度更快和最大读/写耐久性更高，FRAM在+85°C下的数据保存时间超过10年（在较低温度下可长达数十年），但它也有自己的缺点，即存储密度远低于闪存设备，存储容量有限，成本较高，截至2021年，不同供应商销售的芯片的存储大小（密度）不超过16Mb。目前，FRAM现在正在通过CMOS技术嵌入到芯片中，使MCU能够拥有自己的FRAM存储器，这比在MCU芯片中嵌入闪存所需的级数要少，从而大大降低了成本。02PCM由于英特尔推出的傲腾内存，相变存储器（PCM或PRAM）早已成为新兴存储器技术中收入遥遥领先的存在，事实上，早在1970年，英特尔的戈登-摩尔（GordonMoore）与罗恩-尼尔（RonNeale）以及D-L-尼尔森（DLNelson）就共同撰写过一篇关于256位PCM原型的文章，其研发历史之悠久，并不逊色其他存储技术。PCM的起源要追溯到1960年，奥夫申斯基成立了能源转换实验室，研究非晶材料及其相变特性。该实验室于1964年更名为能源转换设备公司(ECD)，奥夫申斯基的众多创新成果之一就是以他本人命名的Ovonics相变存储器。英特尔最终与ECD合作，获得了Ovonics相变存储器的知识产权许可，并于2015年正式发布了3DXPointPCM。除去英特尔，意法半导体生产过带有PCM程序存储器的微控制器（MCU），而三星和美光这类存储厂商也都在十多年前大规模生产了PCMNOR闪存替代产品，不过这部分产品的存在时间相当短。PCM的基础是一种沉积在标准CMOS逻辑芯片上方的瑀玻璃材料，这种材料会根据玻璃的特性改变其状态，玻璃从结晶状态和非晶状态，分别对应导电或电阻状态，其提高存储容量的方式有两种：一种是三维堆叠，是英特尔和美光专注的领域，还有一种是多值技术，IBM在该领域取得了突破性进展。和闪存相比，PCM的优点非常多，如可嵌入功能强、优异的可反复擦写特性、稳定性好以及和CMOS工艺兼容等，事实上，到目前为止，还未发现PCM有明确的物理极限，在相变材料的厚度降至2nm时，器件仍然能够发生相变。PCM的最大优势就是可以采用交叉点配置，在两条正交导电线的交叉处存储数据，这有利于堆叠，从而使芯片尺寸和生产成本低于除3DNAND以外的任何成熟技术。但PCM也有不容忽视的缺点，发热仍然是主要问题，虽然内存是热稳定的并且可以处理高温应用，但对单元进行编程时产生的热量可能影响其相邻单元，局部加热会导致电池上方出现空隙，此外，闪存每个单元存储和检测多个位的能力，使它目前仍然比PCM具有存储容量优势。近几年，人们对PCM在内存计算中的应用产生了浓厚的兴趣。其想法是通过利用PCM的模拟存储能力和基尔霍夫电路定律，在存储器阵列本身中执行计算任务，例如矩阵向量乘法运算，2021年，IBM发布了基于集成在14nmCMOS技术节点的多级PCM的成熟内存计算核心。03MRAM磁性RAM（MRAM）是一种基于所有磁性记录（硬盘、磁带等）物理原理的技术，但其应用方式去除了机械元素，截至目前，摩托罗拉（Motorola）和飞思卡尔（Freescale）的研究成果催生出的Everspin公司是该技术的领先者，2021年该公司的营业收入为4400万美元。此外，Avalanche和Numem最近也加入了生产MRAM的行列，而台积电、格芯和三星等代工厂都推出了嵌入式MRAM工艺，目前MRAM工艺已开始应用于物联网应用和微功耗设备的SoC中。MRAM的种类非常丰富，但它们的结构都非常相似，都使用钴和镁层作为巨磁阻（GMR）传感器和磁开关元件的组合，它们也被大量用于硬盘读/写磁头，其主要优势在于速度，不少人设想过MRAM将来能够取代高速SRAM。经过多年研究，MRAM已经分为多种类型和路线：STT-MRAM有效地解决了SRAM存储器在不活动时“泄漏”能量的问题；SOT-MRAM显著提高了器件的耐用性和读取稳定性，消除了STT-MRAM器件中固有的开关延迟；VCMA-MRAM进一步降低了STT-MRAM的功耗，但写入速度相对较慢；VG-SOT则综合了前两者的优点，但制造工序较为复杂，功能有待验证；(VG-)SOTMRAM在模拟内存计算方面具备更大潜力……多年来，不同类型的MRAM存储器件不断涌现，在写入速度、可靠性、功耗和面积消耗之间进行权衡，根据具体特性有完全不同的应用，例如用于嵌入式闪存和末级缓存的STT-MRAM、用于较低级缓存的SOT-MRAM、用于超低功耗应用的VCMA-MRAM，最后是VG-MRAM，VG-SOTMRAM作为终极统一高速缓存，还具有内存计算的优势。在MRAM中，数据通常存储在磁性可以改变的"自由"层中，并与生产时设置的"固定"层进行比较，而GMR传感器负责检测两者之间的差异。大多数MRAM变体的最大区别在于数据的写入方式。所有MRAM的每个位单元都至少使用一个晶体管，而许多MRAM则使用两个晶体管，且电流相当大，这也让该技术的生产成本效益低于其他技术。MRAM具有SRAM兼容的读/写周期，因此特别适合于那些必须以最小延迟存储和检索数据的应用程序，它成功把低延迟、低功耗、无限持久性、可伸缩性和非易变性结合到了一起。作为一种磁性...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1385421.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1385421.htm

全新的氧化铪计算机内存原型抛弃了1和0 可用于更密集的数据存储

全新的氧化铪计算机内存原型抛弃了1和0可用于更密集的数据存储但是，一种新兴的计算机内存形式，即所谓的电阻开关内存，被设计得更加高效。这种新的存储器不是将信息翻转到两种可能的状态中的一种，而是可以创造一个连续的状态范围。这是通过对某些类型的材料施加电流来实现的，这导致其电阻变得更强或更弱。这些电阻的微小差异的广泛范围创造了一系列可能的状态来存储数据。该研究的第一作者MarkusHellenbrand博士说："例如，一个基于连续范围的典型U盘将能够容纳10到100倍的信息。"在这项新的研究中，该团队开发了一个电阻式开关记忆装置的原型，该装置由一种叫做氧化铪的材料制成，这种材料已经在半导体行业中作为绝缘体使用。通常情况下，将其用于存储器是具有挑战性的，因为它在原子水平上没有结构--其铪和氧原子随机地混合在一起。但在这里，剑桥大学的研究人员发现，添加一种额外的成分有助于改变这种情况。当钡被扔进混合物时，它在堆叠的氧化铪薄膜之间形成了垂直的"桥"。由于这些钡桥是高度结构化的，电子可以轻易地穿过它们。在桥与设备接触的地方产生了一个能量屏障，这个屏障的高度可以被控制，从而改变整个材料的电阻。这反过来又是对数据进行编码的原因。Hellenbrand说："这允许材料中存在多种状态，而不像传统的存储器只有两种状态。这些材料真正令人兴奋的是它们可以像大脑中的突触一样工作：它们可以在同一个地方存储和处理信息，就像我们的大脑一样，这使得它们在快速增长的人工智能和机器学习领域具有很大的前景。"研究人员说，他们的设备使用由钡桥连接的氧化铪薄膜，有一些优势可以帮助它走上商业化的道路。首先，这些结构可以在相对较低的温度下自我组装，这比许多其他设备需要的高温制造要容易。此外，这些材料已经在计算机芯片行业中广泛使用，因此将它们纳入现有的制造技术应该更容易。对这些材料的可行性研究将使科学家们能够调查它们在更大范围内的工作情况。该研究发表在《科学进展》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1367423.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1367423.htm