新型材料有望大幅提升計算機存儲芯片的性能

用于存儲數據的“閃存”芯片，如今占據著每年700億美元的市場。同時，閃存也面臨著許多與限制其他計算機芯片改進相同的微型化瓶頸。但一種名為鐵電體的材料有望使數據密度再次實現數量級的提升。鐵電體還能以更快的速度讀寫數據，且功耗僅為傳統閃存的幾分之一。

韓國三星先進技術研究院Duk-Hyun Choe團隊報告了一種大幅降低鐵電閃存能耗的方法。近日，相關研究成果發表在《自然》。

鐵電材料可以在較低電壓下讀取和寫入數據，為堆疊1000層甚至更多層的存儲單元鋪平道路。然而，早期采用鐵電材料氧化鉿制成的原型器件存在所謂的“窄存儲窗口”問題。這意味著寫入數據的電壓僅比讀取數據所需的電壓高出幾伏特。因此，工程師無法進行精確的電壓區分，也就無法在單個硅單元中寫入和讀取多個比特的數據。

研究人員發現一種大幅降低鐵電閃存能耗的方法，即降低信息在垂直排列的存儲單元之間傳輸所需的功率。Choe和他的同事們首先使用了一種帶有電荷俘獲功能的鐵電存儲單元。然后，他們用銦鎵鋅氧化物（一種只需極低電流即可轉變為導體的半導體材料）取代了原有的硅導電通道。這種材料使他們的鐵電器件的功耗比傳統技術降低了96%，同時仍然保持了高達10.5伏特的存儲窗口。“這是一項重大創新。”美國圣母大學的鐵電存儲器專家Kai Ni說道。

美國喬治亞理工學院的電氣工程師Asif Khan表示，其他鐵電技術方面的進展也正在迅速發展。他說，僅在過去兩年，就出現了大約20種不同的芯片架構。前年，韓國科學技術院的研究人員報告稱，有證據表明這種器件足夠耐用，可以保存數據長達10年，能夠投入實際應用。它還可以讓機器人擁有更快的反應速度，因為它可以為機器人提供所需的板載內存，無需等待連接到云端。“因此，鐵電閃存技術將至關重要。”Khan說。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1126/science.z08t8l5
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09793-3