斯坦福宣布相变存储器研究新突破：为超快、节能计算铺平了道路

数十年来，科学家们一直在为从大型数据中心、到移动传感器、以及其它柔性电子设备，寻找更快、更节能的存储技术。当前最具前途的数据存储技术之一，就是所谓的相变存储（Phase-Change Memory），特点是速度可达到传统硬盘驱动器的数千倍。但在新兴存储类型中，它并不是最节能的。

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超快且节能的柔性相变存储器（图自：Asir Intisar Khan）

好消息是，斯坦福大学的工程师们，刚刚克服了限制相变存储器被广泛采用的一个关键障碍，并在《科学》杂志上分享了他们的最新研究成果。

研究资深作者、电气工程教授 Eric Pop 表示：长期以来，人们一直期待着相变存储能够快速取代手机 / 笔记本电脑中的部件。

这项技术未被采用的一个原因，就是它需要消耗较其它技术方案更高的运行功率。但新研究已证明，相变存储器可以做到既快速又节能。

与使用晶体管和其它硬件构建的传统存储芯片不同，典型的相变存储设备由夹在两个金属电极之间的锗、锑、碲（简称 GST）三种元素的化合物制成。

以闪存驱动器为例，传统装置需要通过打开和关闭电子流来存储数据，以对应‘0’和‘1’。

而在相变存储器中，‘0’和‘1’代表的是 GST 材料中的电阻测量值，即其对电流的抵抗程度。

研究合著者、博士生 Asir Intisar Khan 补充道：

典型相变存储器件可保存两种电阻状态，高电阻意味‘0’、低电阻意味‘1’。

不过我们可以利用电极电脉冲产生的热量，使之在瞬间（1ns 内）从‘1’切换到‘0’，反之亦然 。

据悉，在加热到大约 300 ℉（150 ℃）时，会使 GST 化合物变成具有低电阻的结晶状态。

在大约 1000 ℉（600 ℃）时，结晶原子优惠变得无序，将一部分化合物转变为具有更高电阻的非静态。

利用两种状态之间的巨大电阻差异，便可运用于存储器的数据存储编程。

柔性相变存储器基板 / 一连串弯曲形态（图自：Crystal Nattoo）

Asir Intisar Khan 解释称：“这种巨大的电阻值变化过程是可逆的，并且能够通过打开和关闭脉冲来引起”。

即使离开几年后，你仍可回来重新读取每一比特的电阻。此外一旦完成了配置，它就无需任何电力来维持，特性上与传统闪存存储器类似。

不过在状态之间的切换，通常需要消耗大量能源，这样无疑会对移动电子产品的电池续航造成拖累。

为了应对这一挑战，斯坦福大学团队开始着手一种低功耗的相变存储单元，并且可嵌入弯曲的智能机、可穿戴身体传感器、以及其它基于电池供电的移动设备上常用的柔性 PCB 基板上。

研究合著者、博士后学者 Alwin Daus 表示：“这些装置需要低成本和低能耗才能有效工作，但许多柔性 PCB 基材会在 390 ℉（200 ℃）以上出现形变或熔化”。

有趣的是，Daus 与同事们发现，具有低热导率的塑料基板，有助于减少存储单元中的电流、使之更高效地运行。Eric Pop 说道：

新器件在柔性基板上将编程电流密度降低到了 1/10，且能够在刚性硅材料上降至 1/100 。

我们的秘密武器包含了三种成分，分别是（1）由纳米记忆材料层组成的超晶格，（2）将超晶格层填充到其中的纳米级孔隙单元，（3）隔热柔性基板。

在运用上述三招之后，其共同显著地提升了能源效率。

（Science 传送门）

展望未来，这项技术有望在移动 / 柔性设备上实现更快速、节能的存储，并推动智能家居、生物医学监视器等实时传感器的发展。

Alwin Daus 表示：“传感器对电池续航有极大的限制，收集原始数据并发送到云端的效率非常低。若能在本地完成存储数据的处理，新技术将对物联网提供极大的帮助”。

Asir Intisar Khan 补充道：

现代计算机有独立的计算和存储芯片，它们在一个地方计算数据并转储到另一个地方，但这种来回挪腾是非常低能效的。

若能借助相变存储技术实现‘存储内计算’（in-memory computing ），便可弥合这部分性能差距。

只是它需要一个具有多电阻状态的相变装置，且每一个都可用于存储。

最后，尽管典型相变存储器仅保有高或低两种电阻状态，但该研究团队已经实现了四电阻状态的编程，这也是迈向灵活内存计算的重要一步。

此外若将相变存储器应用于大型数据中心，当前数据存储所占的 15% 电力消耗也可得到极大的缓解。

关键词： 科学探索 斯坦福宣布相变存储器研究新突破：为超快、节能