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上海清易
數(shù)十年來(lái)，科學(xué)家們一直在為從大型數(shù)據(jù)中心、到移動(dòng)傳感器、以及其它柔性電子設(shè)備，尋找更快、更節(jié)能的存儲(chǔ)技術(shù)。當(dāng)前十分具有前途的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)之一，就是所謂的相變存儲(chǔ)(Phase-Change Memory)，特點(diǎn)是速度可達(dá)到傳統(tǒng)硬盤驅(qū)動(dòng)器的數(shù)千倍。但在新興存儲(chǔ)類型中，它并不是十分節(jié)能的。
好消息是，斯坦福大學(xué)的工程師們，剛剛克服了限制相變存儲(chǔ)器被廣泛采用的一個(gè)關(guān)鍵障礙，并在《科學(xué)》雜志上分享了他們的新研究成果。
研究資深作者、電氣工程教授 Eric Pop 表示：長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直期待著相變存儲(chǔ)能夠快速取代手機(jī) / 筆記本電腦中的部件。
這項(xiàng)技術(shù)未被采用的一個(gè)原因，就是它需要消耗較其它技術(shù)方案更高的運(yùn)行功率。但新研究已證明，相變存儲(chǔ)器可以做到既快速又節(jié)能。
與使用晶體管和其它硬件構(gòu)建的傳統(tǒng)存儲(chǔ)芯片不同，典型的相變存儲(chǔ)設(shè)備由夾在兩個(gè)金屬電極之間的鍺、銻、碲(簡(jiǎn)稱 GST)三種元素的化合物制成。
以閃存驅(qū)動(dòng)器為例，傳統(tǒng)裝置需要通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉電子流來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以對(duì)應(yīng)‘0’和‘1’。
而在相變存儲(chǔ)器中，‘0’和‘1’代表的是 GST 材料中的電阻測(cè)量值，即其對(duì)電流的抵抗程度。
研究合著者、博士生 Asir Intisar Khan 補(bǔ)充道：
典型相變存儲(chǔ)器件可保存兩種電阻狀態(tài)，高電阻意味‘0’、低電阻意味‘1’。
不過(guò)我們可以利用電極電脈沖產(chǎn)生的熱量，使之在瞬間(1ns 內(nèi))從‘1’切換到‘0’，反之亦然 。
據(jù)悉，在加熱到大約 300 ℉(150 ℃)時(shí)，會(huì)使 GST 化合物變成具有低電阻的結(jié)晶狀態(tài)。
在大約 1000 ℉(600 ℃)時(shí)，結(jié)晶原子優(yōu)惠變得無(wú)序，將一部分化合物轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈唠娮璧姆庆o態(tài)。
利用兩種狀態(tài)之間的巨大電阻差異，便可運(yùn)用于存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)編程。
Asir Intisar Khan 解釋稱：“這種巨大的電阻值變化過(guò)程是可逆的，并且能夠通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉脈沖來(lái)引起”。
即使離開(kāi)幾年后，你仍可回來(lái)重新讀取每一比特的電阻。此外一旦完成了配置，它就無(wú)需任何電力來(lái)維持，特性上與傳統(tǒng)閃存存儲(chǔ)器類似。
不過(guò)在狀態(tài)之間的切換，通常需要消耗大量能源，這樣無(wú)疑會(huì)對(duì)移動(dòng)電子產(chǎn)品的電池續(xù)航造成拖累。
為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始著手一種低功耗的相變存儲(chǔ)單元，并且可嵌入彎曲的智能機(jī)、可穿戴身體傳感器、以及其它基于電池供電的移動(dòng)設(shè)備上常用的柔性 PCB 基板上。
研究合著者、博士后學(xué)者 Alwin Daus 表示：“這些裝置需要低成本和低能耗才能有效工作，但許多柔性 PCB 基材會(huì)在 390 ℉(200 ℃)以上出現(xiàn)形變或熔化”。
有趣的是，Daus 與同事們發(fā)現(xiàn)，具有低熱導(dǎo)率的塑料基板，有助于減少存儲(chǔ)單元中的電流、使之更高效地運(yùn)行。Eric Pop 說(shuō)道：
新器件在柔性基板上將編程電流密度降低到了 1/10，且能夠在剛性硅材料上降至 1/100 。
我們的秘密武器包含了三種成分，分別是(1)由納米記憶材料層組成的超晶格，(2)將超晶格層填充到其中的納米級(jí)孔隙單元，(3)隔熱柔性基板。
在運(yùn)用上述三招之后，其共同顯著地提升了能源效率。
展望未來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)有望在移動(dòng) / 柔性設(shè)備上實(shí)現(xiàn)更快速、節(jié)能的存儲(chǔ)，并推動(dòng)智能家居、生物醫(yī)學(xué)監(jiān)視器等實(shí)時(shí)傳感器的發(fā)展。
Alwin Daus 表示：“傳感器對(duì)電池續(xù)航有極大的限制，收集原始數(shù)據(jù)并發(fā)送到云端的效率非常低。若能在本地完成存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的處理，新技術(shù)將對(duì)物聯(lián)網(wǎng)提供極大的幫助”。
Asir Intisar Khan 補(bǔ)充道：
現(xiàn)代計(jì)算機(jī)有獨(dú)立的計(jì)算和存儲(chǔ)芯片，它們?cè)谝粋€(gè)地方計(jì)算數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)儲(chǔ)到另一個(gè)地方，但這種來(lái)回挪騰是非常低能效的。
若能借助相變存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)‘存儲(chǔ)內(nèi)計(jì)算’(in-memory computing )，便可彌合這部分性能差距。
只是它需要一個(gè)具有多電阻狀態(tài)的相變裝置，且每一個(gè)都可用于存儲(chǔ)。
最后，盡管典型相變存儲(chǔ)器僅保有高或低兩種電阻狀態(tài)，但該研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了四電阻狀態(tài)的編程，這也是邁向靈活內(nèi)存計(jì)算的重要一步。
此外若將相變存儲(chǔ)器應(yīng)用于大型數(shù)據(jù)中心，當(dāng)前數(shù)據(jù)存儲(chǔ)所占的 15% 電力消耗也可得到極大的緩解。
(原標(biāo)題：斯坦福宣布相變存儲(chǔ)器研究新突破：為超快、節(jié)能計(jì)算鋪平了道路)
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