本文由半导体产业纵横编译自TechXplore
镊子固定的柔性相变存储器基板（左）
几十年来，科学家们一直在为从大型数据中心到移动传感器和其他灵活电子设备的所有领域寻找更快、更节能的存储技术。最有前途的数据存储技术之一是相变存储器（PCM），它比传统硬盘驱动器快数千倍，但耗电量大。
现在，斯坦福大学的工程师已经克服了限制相变存储器广泛采用的关键障碍。结果发表在9 月10 日的《科学》杂志上。
“人们长期以来一直期望相变存储能够取代我们手机和笔记本电脑中的大部分内存，”该研究的资深作者、电气工程教授 Eric Pop 说。“它没有被采用的一个原因是它需要比竞争内存技术更多的功率来运行。在我们的研究中，我们已经证明相变内存可以既快速又节能。”
>>>> 电阻
与使用晶体管和其他硬件构建的传统存储芯片不同，典型的相变存储设备由三种化学元素的化合物组成——锗、锑和碲(GST)——夹在两个金属电极之间。
传统设备，如闪存驱动器，通过打开和关闭电子流来存储数据，这个过程用1 和0 表示。在相变存储器中，1 和0 代表GST 材料中电阻的测量值——它对电流的抵抗程度。
“典型的相变存储器件可以存储两种电阻状态：高电阻状态 0和低电阻状态 1，”该研究的共同主要作者、博士生AsirIntisar Khan 说。“我们可以利用电极产生的电脉冲产生的热量，在纳秒内从 1 切换到 0，然后再切换回来。”
加热到大约300 华氏度（150摄氏度）会使 GST 化合物变成具有低电阻的结晶状态。在大约 1,100 F (600 C) 时，结晶原子变得无序，将一部分化合物转变为具有更高电阻的非晶态。非晶态和晶态之间的巨大电阻差异用于对存储器进行编程和存储数据。
“这种大的电阻变化是可逆的，可以通过打开和关闭电脉冲来引起，”Khan说。
“你可以在几年后回来，通过读取每一位的电阻来读取内存，”波普说。“此外，一旦内存被设置好了，它就不会使用任何电源，类似于闪存驱动器。”
斯坦福大学的工程师开发了一种超快且节能的灵活相变存储芯片。
>>>> ‘秘密配方'
在状态之间切换通常需要大量电力，这可能会缩短移动电子产品的电池寿命。
为了应对这一挑战，斯坦福大学的团队着手设计一种低功耗的相变存储单元，可以嵌入在可弯曲智能手机、可穿戴身体传感器和其他电池供电的移动电子产品中常用的柔性塑料基板上。
“这些设备需要低成本和低能耗才能使系统有效工作，”共同作者、博士后学Alwin Daus 说。“但许多柔性基板在 390°F (200°C ) 及以上温度下会变形甚至熔化。”
在这项研究中，Daus 和他的同事发现，具有低热导率的塑料基板可以帮助减少存储单元中的电流，使其高效运行。”
“我们的新器件在柔性基板上将编程电流密度降低了 10倍，在刚性硅上降低了 100倍，”Pop 说。“我们的秘方包含三种成分：由纳米级存储材料层组成的超晶格、孔隙单元（我们将超晶格层填充到其中的纳米级孔）和隔热柔性基板。它们一起显着提高了能源效率。”
>>>> 超快、超灵活的计算
“在手机和可移动的设备上安装快速、节能的内存的能力需要启用广泛的新技术，例如用于智能家居和生物医学监视器的实时传感器。传感器集收原始数据发送到云端的能源效率非常低并且对电池寿命有很高的限制，”Daus 说。“如果能在本地处理需要内存的数据，对实现物联网会有很大帮助。”
“相变存储器也可能迎来新一代的超快计算。“今天的计算机有独立的计算和内存芯片，”Khan说。“他们在一个地方计算数据并将其存储在另一个地方。数据必须来回传输，这是非常低能效的。”相变内存可以实现内存计算，从而弥合计算和内存之间的差距。内存计算需要一个具有多个电阻状态的相变设备，每个都能够存储内存。
相变存储器也可能迎来新一代的超快计算。“今天的计算机有独立的计算和内存芯片，”Khan说。“他们在一个地方计算数据并将其存储在另一个地方。数据必须来回传输，这是非常低能效的。”相变内存可以实现内存计算，从而弥合计算和内存之间的差距。内存计算需要一个具有多个电阻状态的相变设备，每个都能够存储内存。
“相变存储器的最大吸引力在于速度，但电子产品的能效也很重要，”Pop 说。“这不仅仅是马后炮。我们为制造低功耗电子产品和延长电池寿命所做的任何事情都会产生巨大的影响。”
