0.7納秒！相變存儲器速度新極限

　　隨著數(shù)字全球化，爆炸式增長的信息對數(shù)據(jù)的存儲與傳輸提出了極大的挑戰(zhàn)，而且目前商用計算體系架構(gòu)內(nèi)各存儲部件，即緩存(SRAM)、內(nèi)存(DRAM)和閃存(NAND Flash)之間性能差距日益加大，其間的數(shù)據(jù)交換效率也已成為了電子設備發(fā)展的瓶頸。因此研發(fā)具備存儲密度大、讀寫速度快、能耗低、非易失(即斷電后數(shù)據(jù)不丟失)等特點的新式通用式存儲介質(zhì)勢在必行。

　　近日，美國Science雜志發(fā)表了西安交通大學與上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的合作論文——《Reducing the stochasticity of crystal nucleation to enable sub-nanosecond memory writing》，該工作從接收到在線發(fā)表僅10天。更讓人驚訝的是，共同第一作者還是個大四本科生。

　　基于相變材料的相變存儲器(PCRAM)是最接近商業(yè)化的通用式存儲器，由國際半導體巨頭Intel與Mircon聯(lián)合推出的首款商用相變存儲器“傲騰”已于今年投入市場。我國目前所有相變存儲器的讀寫速度仍然無法媲美高速型存儲器，如內(nèi)存(納秒)和緩存(亞納秒)。除去工業(yè)化工藝水平問題，最為核心的難題是傳統(tǒng)相變材料鍺銻碲形核隨機性較大，其結(jié)晶化過程通常需要幾十至幾百納秒，而結(jié)晶化速度直接對應著寫入速度。

　　新式鈧銻碲(SST)相變存儲器件0.7納秒的高速寫入操作以及其微觀結(jié)晶化機理為解決寫入速度瓶頸問題，西安交通大學材料學院金屬材料強度國家重點實驗室與中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所通力合作，利用材料計算與設計的手段篩選出新型相變材料鈧銻碲合金。

　　該材料利用結(jié)構(gòu)適配且更加穩(wěn)定的鈧碲化學鍵來加速晶核的孕育過程，顯著降低形核過程的隨機性，大幅加快結(jié)晶化即寫入操作速度。與業(yè)內(nèi)性能最好的相變器件相比，鈧銻碲器件的操作速度提升超過10多倍，達到了0.7納秒的高速可逆操作，并且降低操作功耗近10倍。通過材料模擬計算，研究人員清晰地揭示了超快結(jié)晶化以及超低功耗的微觀機理。這一研究成果對深入理解和調(diào)控非晶態(tài)材料的形核與生長機制具有重要的指導意義，并為實現(xiàn)我國自主的通用存儲器技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

　　該項工作的材料計算與設計部分由西安交大完成：材料學院大四本科生周宇星為該工作的共同第一作者，青年千人學者張偉教授為共同通訊作者，負責論文投稿。