一種新型存儲(chǔ)技術(shù)問世

在當(dāng)前主流的存儲(chǔ)器技術(shù)中，DRAM 雖然速度快，但功耗大、容量低、成本高，且斷電無法保存數(shù)據(jù)，使用場景受限；NAND Flash 讀寫速度低，存儲(chǔ)密度明顯受限于工藝制程。

為了突破 DRAM、NAND Flash 等傳統(tǒng)存儲(chǔ)器的局限，存儲(chǔ)器技術(shù)壁壘不斷被突破，新型存儲(chǔ)技術(shù)開始進(jìn)入大眾視野。

近年來，計(jì)算設(shè)備已出現(xiàn)多種類型的存儲(chǔ)器，旨在克服傳統(tǒng)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (RAM) 的限制。磁阻 RAM (MRAM) 就是這樣一種存儲(chǔ)器類型，它比傳統(tǒng) RAM 具有多種優(yōu)勢，包括非揮發(fā)性、高速、存儲(chǔ)容量增加和耐用性增強(qiáng)。盡管 MRAM 設(shè)備已經(jīng)取得了顯著的改進(jìn)，但降低數(shù)據(jù)寫入過程中的能耗仍然是一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

大阪大學(xué)研究人員最近在《先進(jìn)科學(xué)》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究 提出了一種用于 MRAM 設(shè)備、具有低能耗數(shù)據(jù)寫入的新技術(shù)。與目前基于電流的方法相比，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)基于電場的寫入方案，能耗更低，有可能為傳統(tǒng) RAM 提供替代方案。

傳統(tǒng)動(dòng)態(tài) RAM (DRAM) 設(shè)備具有由晶體管和電容器組成的基本存儲(chǔ)單元。但是，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是易失性的，這意味著需要輸入能量才能保留數(shù)據(jù)。相比之下，MRAM 使用磁狀態(tài)（例如磁化方向）來寫入和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

「由于 MRAM 設(shè)備依賴于電容器中的非易失性磁化狀態(tài)而不是易失性電荷狀態(tài)，因此在待機(jī)狀態(tài)下功耗較低，是 DRAM 的有前途的替代品，」該研究的主要作者 Takamasa Usami 解釋道。

目前的 MRAM 器件一般需要電流來切換磁隧道結(jié)的磁化矢量，類似于 DRAM 器件中切換電容器的電荷狀態(tài)。然而，在寫入過程中需要很大的電流來切換磁化矢量。這不可避免地會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，從而導(dǎo)致能耗。

為了解決這個(gè)問題，研究人員開發(fā)了一種用于控制 MRAM 器件電場的新元件。其關(guān)鍵技術(shù)是一種多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其磁化矢量可以通過電場切換（圖 1）。異質(zhì)結(jié)構(gòu)對電場的響應(yīng)基本上可以用逆磁電 (CME) 耦合系數(shù)來表征；數(shù)值越大表示磁化響應(yīng)越強(qiáng)。

圖 1. 界面多鐵性結(jié)構(gòu)示意圖

研究人員此前曾報(bào)道過一種多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其 CME 耦合系數(shù)超過 10-5 s/m。然而，鐵磁層 (Co2FeSi) 部分的結(jié)構(gòu)波動(dòng)使得實(shí)現(xiàn)所需的磁各向異性變得困難，從而阻礙了可靠的電場操作。為了提高這種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，研究人員開發(fā)了一種新技術(shù)，在鐵磁層和壓電層之間插入一層超薄的釩層。如圖 2 所示，通過插入釩層實(shí)現(xiàn)了清晰的界面，從而可以可靠地控制 Co2FeSi 層中的磁各向異性。此外，CME 效應(yīng)達(dá)到的值大于不包含釩層的類似設(shè)備所達(dá)到的值。

圖 2 . 鐵磁 Co2FeSi 層/原子層/壓電層界面的原子圖像。左側(cè)的結(jié)構(gòu)使用 Fe 原子層，而右側(cè)顯示的 V 層清晰可見，促進(jìn)了上方鐵磁 Co2FeSi 層的晶體取向。

研究人員還證明，通過改變電場的掃描操作，可以在零電場下可靠地實(shí)現(xiàn)兩種不同的磁狀態(tài)。這意味著可以在零電場下有意實(shí)現(xiàn)非易失性二元狀態(tài)。

「通過精確控制多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以滿足實(shí)現(xiàn)實(shí)用磁電 (ME)-MRAM 設(shè)備的兩個(gè)關(guān)鍵要求，即具有零電場的非易失性二元狀態(tài)和巨大的 CME 效應(yīng)，」資深作者 Kohei Hamaya 說道。

這項(xiàng)自旋電子器件研究最終可在實(shí)用的 MRAM 器件上實(shí)現(xiàn)，使制造商能夠開發(fā) ME-MRAM，這是一種低功耗寫入技術(shù)，適用于需要持久和安全內(nèi)存的廣泛應(yīng)用。

值得注意的是，當(dāng)前的新型存儲(chǔ)市場主要集中于低延遲存儲(chǔ)與持久內(nèi)存，還不具備替代 DRAM/NAND 閃存的能力，但在數(shù)據(jù)爆發(fā)式增長的時(shí)代下，新型存儲(chǔ)憑借所具備的超強(qiáng)性能、超長壽命、可靠性及耐高溫等優(yōu)秀的特性，將有望成為存儲(chǔ)器領(lǐng)域的新選擇。

目前，從市場份額上看，傳統(tǒng)存儲(chǔ)器仍占據(jù)著絕大部分市場，但隨著 5G 時(shí)代到來，帶動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、智慧城市等應(yīng)用市場發(fā)展并向存儲(chǔ)器提出多樣化需求，加上傳統(tǒng)存儲(chǔ)器市場價(jià)格變化等因素，新型存儲(chǔ)器將在市場發(fā)揮越來越重要的作用。