一種新型存儲技術(shù)問(wèn)世

在當前主流的存儲器技術(shù)中，DRAM 雖然速度快，但功耗大、容量低、成本高，且斷電無(wú)法保存數據，使用場(chǎng)景受限；NAND Flash 讀寫(xiě)速度低，存儲密度明顯受限于工藝制程。

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

近年來(lái)，計算設備已出現多種類(lèi)型的存儲器，旨在克服傳統隨機存取存儲器 (RAM) 的限制。磁阻 RAM (MRAM) 就是這樣一種存儲器類(lèi)型，它比傳統 RAM 具有多種優(yōu)勢，包括非揮發(fā)性、高速、存儲容量增加和耐用性增強。盡管 MRAM 設備已經(jīng)取得了顯著(zhù)的改進(jìn)，但降低數據寫(xiě)入過(guò)程中的能耗仍然是一項關(guān)鍵挑戰。

大阪大學(xué)研究人員最近在《先進(jìn)科學(xué)》雜志上發(fā)表的一項研究 提出了一種用于 MRAM 設備、具有低能耗數據寫(xiě)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)現基于電場(chǎng)的寫(xiě)入方案，能耗更低，有可能為傳統 RAM 提供替代方案。

傳統動(dòng)態(tài) RAM (DRAM) 設備具有由晶體管和電容器組成的基本存儲單元。但是，存儲的數據是易失性的，這意味著(zhù)需要輸入能量才能保留數據。相比之下，MRAM 使用磁狀態(tài)（例如磁化方向）來(lái)寫(xiě)入和存儲數據，從而實(shí)現非易失性數據存儲。

「由于 MRAM 設備依賴(lài)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(lái)切換磁隧道結的磁化矢量，類(lèi)似于 DRAM 器件中切換電容器的電荷狀態(tài)。然而，在寫(xiě)入過(guò)程中需要很大的電流來(lái)切換磁化矢量。這不可避免地會(huì )產(chǎn)生焦耳熱，從而導致能耗。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員開(kāi)發(fā)了一種用于控制 MRAM 器件電場(chǎng)的新元件。其關(guān)鍵技術(shù)是一種多鐵異質(zhì)結構，其磁化矢量可以通過(guò)電場(chǎng)切換（圖 1）。異質(zhì)結構對電場(chǎng)的響應基本上可以用逆磁電 (CME) 耦合系數來(lái)表征；數值越大表示磁化響應越強。

圖 1. 界面多鐵性結構示意圖

研究人員此前曾報道過(guò)一種多鐵異質(zhì)結構，其 CME 耦合系數超過(guò) 10-5 s/m。然而，鐵磁層 (Co2FeSi) 部分的結構波動(dòng)使得實(shí)現所需的磁各向異性變得困難，從而阻礙了可靠的電場(chǎng)操作。為了提高這種結構的穩定性，研究人員開(kāi)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(guò)插入釩層實(shí)現了清晰的界面，從而可以可靠地控制 Co2FeSi 層中的磁各向異性。此外，CME 效應達到的值大于不包含釩層的類(lèi)似設備所達到的值。

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

研究人員還證明，通過(guò)改變電場(chǎng)的掃描操作，可以在零電場(chǎng)下可靠地實(shí)現兩種不同的磁狀態(tài)。這意味著(zhù)可以在零電場(chǎng)下有意實(shí)現非易失性二元狀態(tài)。

「通過(guò)精確控制多鐵異質(zhì)結構，可以滿(mǎn)足實(shí)現實(shí)用磁電 (ME)-MRAM 設備的兩個(gè)關(guān)鍵要求，即具有零電場(chǎng)的非易失性二元狀態(tài)和巨大的 CME 效應，」資深作者 Kohei Hamaya 說(shuō)道。

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

值得注意的是，當前的新型存儲市場(chǎng)主要集中于低延遲存儲與持久內存，還不具備替代 DRAM/NAND 閃存的能力，但在數據爆發(fā)式增長(cháng)的時(shí)代下，新型存儲憑借所具備的超強性能、超長(cháng)壽命、可靠性及耐高溫等優(yōu)秀的特性，將有望成為存儲器領(lǐng)域的新選擇。

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