我國高校團隊實現(xiàn)存儲技術(shù)突破！

近日，復(fù)旦大學(xué)和清華大學(xué)團隊在存儲芯片上創(chuàng)下新突破。復(fù)旦團隊研發(fā)超快閃存集成工藝，可實現(xiàn)20納秒超快編程、10年非易失；清華大學(xué)團隊則提出一種基于磁振子的新型邏輯器件，有望重構(gòu)邏輯存儲器。

復(fù)旦團隊研發(fā)超快閃存集成工藝，突破存儲速度極限

非易失性存儲器是指即使在存儲器芯片的電源被關(guān)閉時，也可以保存數(shù)據(jù)的計算機存儲器。常見的非易失性存儲器包括閃存（Flash Memory）、只讀存儲器（ROM），以及一些新技術(shù)如磁性隨機存儲器（MRAM）、鐵電隨機存儲器（FeRAM）、相變存儲器（PCM）等。其中閃存是目前占主導(dǎo)地位的非易失性存儲器技術(shù)，但在速度方面受到限制。

據(jù)復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院官方消息，近日，復(fù)旦大學(xué)周鵬-劉春森團隊《二維超快閃存的規(guī)模集成工藝》（“A scalable integration process for ultrafast two-dimensional flash memory”）論文發(fā)表于國際頂尖期刊《自然-電子學(xué)》（Nature Electronics）上，該團隊報告了一種可擴展的超快2D閃存集成過程，可用于集成1,024 個閃存設(shè)備，產(chǎn)率超過98%。

復(fù)旦大學(xué)周鵬-劉春森團隊從界面工程出發(fā)，團隊在國際上首次驗證了1kb超快閃存陣列集成驗證，并證明了超快特性可延伸至亞10納米。其前期研究表明二維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑺俣忍嵘磺П兑陨?，實現(xiàn)顛覆性的納秒級超快存儲閃存。然而，如何實現(xiàn)規(guī)模集成、走向?qū)嶋H應(yīng)用極具挑戰(zhàn)。

超快閃存集成工藝和統(tǒng)計性能

團隊開發(fā)了超界面工程技術(shù)，在規(guī)?；S閃存中實現(xiàn)了具備原子級平整度的異質(zhì)界面，結(jié)合原子級精度的表征技術(shù)，驗證集成工藝顯著優(yōu)于國際水平。通過嚴(yán)格的直流存儲窗口、交流脈沖存儲性能測試，證實了二維閃存在1Kb存儲規(guī)模中，納秒級非易失編程速度下良率高達98%，這一良率已高于國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖（International Technology Roadmap for Semiconductors）對閃存制造89.5%的良率要求。

同時，研究團隊研發(fā)了不依賴先進光刻設(shè)備的自對準(zhǔn)工藝，結(jié)合原始創(chuàng)新的超快存儲疊層電場設(shè)計理論，成功實現(xiàn)了溝道長度為8納米的超快閃存器件，是目前最短溝道閃存器件，并突破了硅基閃存物理尺寸極限（約15納米）。在原子級薄層溝道支持下，這一超小尺寸器件具備20納秒超快編程、10年非易失、十萬次循環(huán)壽命和多態(tài)存儲性能。有望推動超快顛覆性閃存技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。

據(jù)悉，復(fù)旦大學(xué)集成芯片與系統(tǒng)全國重點實驗室、芯片與系統(tǒng)前沿技術(shù)研究院劉春森研究員和微電子學(xué)院周鵬教授為論文通訊作者，劉春森研究員和博士生江勇波、曹振遠為論文第一作者。研究工作得到了科技部重點研發(fā)計劃、基金委重要領(lǐng)軍人才計劃、上海市基礎(chǔ)特區(qū)計劃、上海市啟明星等項目的資助，以及教育部創(chuàng)新平臺的支持。

清華集成電路學(xué)院南天翔課題組合作提出一種基于磁振子的新型邏輯器件

此外，近日清華大學(xué)集成電路學(xué)院南天翔課題組及合作者提出利用電壓原位控制鐵酸鉍異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的多鐵磁振子自旋力矩，從而實現(xiàn)可重構(gòu)邏輯存儲器。目前相關(guān)研究成果已經(jīng)以“電壓調(diào)控多鐵磁振子力矩實現(xiàn)可重構(gòu)邏輯存儲器”（Voltage control of multiferroic magnon torque for reconfigurable logic-in-memory）為題，在線發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。

圖1 多鐵性磁振子自旋力矩器件的工作原理

據(jù)悉，內(nèi)存計算利用能夠在同一設(shè)備內(nèi)同時執(zhí)行信息存儲和邏輯運算的非易失性存儲器，有望在顯著降低能耗的同時增強人工智能傳輸，而該過程不可避免地會產(chǎn)生焦耳熱。

近期該研究發(fā)現(xiàn)，磁振子可以在亞鐵磁和反鐵磁絕緣體中傳輸自旋而不涉及電荷運動，在作為信息載體處理和傳輸信息時不產(chǎn)生明顯的熱耗散，是開發(fā)低耗散自旋邏輯-存儲設(shè)備的有效途徑。非相干磁振子可以在直流電路中被電（或者熱）激發(fā)，使其與當(dāng)前的半導(dǎo)體技術(shù)兼容。另一方面，在實際應(yīng)用中，通過施加?xùn)艠O電壓來實現(xiàn)磁振子邏輯運算也十分重要。然而，目前在室溫下操縱磁振子流傳輸?shù)募夹g(shù)主要依賴于通過施加磁場來重新調(diào)整磁性序或調(diào)節(jié)磁疇結(jié)構(gòu)。

該研究將多鐵性材料與磁振子存儲器相結(jié)合進行電路設(shè)計，利用多鐵性材料實現(xiàn)對磁振子力矩的非易失性調(diào)控，并提出了一種柵極電壓調(diào)控可重構(gòu)磁振子邏輯存儲器。該邏輯存儲器包括多個位于同一個電流通道上的鐵磁/多鐵性鐵酸鉍BiFeO3存儲單元。通過在電流通道中施加電流脈沖，可以在多鐵性材料中產(chǎn)生非相干磁振子流，并通過磁振子力矩將自旋信息并行地、非易失性地寫入多個存儲單元。通過原位施加?xùn)艠O電壓脈沖翻轉(zhuǎn)鐵電極化，實現(xiàn)了對磁振子自旋傳輸?shù)姆且资钥刂啤?/p>

研究團隊進一步提出并演示了一種基于多鐵性磁振子自旋力矩的可重構(gòu)邏輯存儲器。這賦予了該邏輯存儲器在不改變電路拓撲的情況下，可以被重構(gòu)實現(xiàn)16種布爾代數(shù)運算的能力。該器件減少了中間計算參數(shù)復(fù)制的必要性，顯著降低了內(nèi)存區(qū)域開銷和功耗，并消除了斷電后重新加載數(shù)據(jù)的需要。這些特點凸顯了多鐵性磁振子器件在低功耗存內(nèi)計算方面的潛力。

圖2 室溫下基于磁振子力矩的信息寫入

圖3 室溫下原位非易失性電壓調(diào)控磁振子力矩

圖4 基于多鐵性磁振子力矩的可重構(gòu)邏輯存儲器

該論文清華大學(xué)集成電路學(xué)院副教授南天翔、材料學(xué)院副教授易迪和教授林元華為通訊作者，清華大學(xué)集成電路學(xué)院博士后柴亞紅、博士后梁宇晗、2022級博士生肖燦誠為論文共同第一作者。其他重要合作者還包括清華大學(xué)集成電路學(xué)院教授吳華強、副教授唐建石，材料學(xué)院教授谷林、副教授馬靜，物理系教授于浦、副教授江萬軍，高等研究院博士后李博，中國科學(xué)院物理所副研究員張慶華等。