RRAM存儲器工作機制研究：發現更節能的方法！

引言

幾年前，斯坦福大學的工程師開發了RRAM存儲器，它是一種依賴於溫度和電壓存儲數據的半導體材料，比目前的存儲技術更加快速和節能。但是，RRAM的工作機制一直是一個迷。現在，斯坦福大學的團隊創造了一種新工具來研究晶元，發現了最佳溫度範圍低於預期，從而為更加高效的存儲晶元的研發鋪設了道路。

RRAM存儲器工作機制一直是個迷

科學家經常會去探索一些有趣的事物，但是並不完全理解它們的工作機制。下面，我們要介紹的實驗性的存儲技術就是一個很好的例子。在這個存儲技術中，溫度和電壓可以相互配合，為數據存儲創造條件，但是工作機制尚未完全清楚。

研究人員在探索謎團時發現意外驚喜

但是，當斯坦福大學的團隊尋找一條途徑，理清晶元的能量和熱量需求時，他們實驗性的結果帶來了一個驚喜：這個方法可能比之前猜測的更加節能。對於新一代的移動設備來說，這是個好消息。因為如果應用的是更節能的晶元，它們的電池工作時間會更長。

斯坦福大學電氣工程師 H.-S. Philip Wong 是發明團隊的領導者，他於12月5號，在洛杉磯召開的國際電子器件大會(IEDM)期間，發表了這篇論文。

RRAM技術簡介

這項技術稱為「電阻式隨機存取存儲器 」，英文簡稱「RRAM」。RRAM 是基於一種新型半導體材料，通過允許或者拒絕電子流過，相應地代表數字「0」或者「1」。RRAM可以完成傳統的硅材料無法完成的工作，例如：分層時位於新型三維（high-rise）晶元的晶體管的頂部。它是智能手機和其他移動電子設備的理想材料，因為節能對於這些產品來說很重要。

(圖片來源於：斯坦福大學)

對於傳統的計算機晶元來說，它們一般是在二維平面上操作的，CPU和存儲器之間通信是靠數據匯流排來進行。數據匯流排連接了存儲器和邏輯單元，從存儲器中獲取數據，然後傳送到邏輯單元處理，然而問題是數據線並沒有其他組件的速度快，所以處理大量數據時候，會「拖慢」系統的其他部分。

所以，幾年前斯坦福大學的研究人員Subhasish Mitra 教授 和 Philip Wong 教授領導的研究團隊，開發了三維晶元，將存儲器和邏輯單元像樓板一樣，一層一層的交替放置，使用成千上萬的垂直納米級的連接進行通信。這樣，縮短了數據傳輸的距離，讓數據傳輸的更快，使用更少電量，從而有效的規避了之前的瓶頸問題。

(圖片來源於：斯坦福大學)

探究RRAM的工作方式

雖然工程師們可以觀察到RRAM存儲數據的情況，但是他們並不能準確地知道這些材料是如何工作的。Wong 說：「我們希望生產更加有可靠的設備，那麼在這之前，對於RRAM的基本行為，我們就需要更加精確的信息。」

「震顫」的存儲器

為了幫助工程師們去理解這些未知的機制，Wong的團隊構建了一個工具，該工具可以測量RRAM晶元工作的基本力。

斯坦福大學的研究生 Zizhen Jiang 是如此解釋原理的：RRAM材料是絕緣體，通常電流無法流過。但是在特定條件下，絕緣體可以會讓電子流過。之前的研究已經顯示：震動的RRAM材料具有一個電場，會形成一條通路讓電子流過。這條通路稱為「細絲」（filament）。為了打破「細絲」，研究人員使用了另外一種「震顫」，這種材料又會變回絕緣狀態。所以，每次「震顫」使得RRAM 在「0」和「1」之間切換，從而使得這種材料可以應用於數據存儲。

但是，電流並不是RRAM狀態切換中的惟一因素。將電子注入到任何材料中會增加它的溫度。電爐就是利用了這個原理。在RRAM的案例中，「細絲」的每次形成和打破的切換，都要引入電壓，從而帶來溫度升高。所以，問題就是：為了實現切換，電壓引入的溫度需要多高？

在斯坦福大學這項新研究之前，研究人員認為短脈衝電壓，足以產生1160華氏度的溫度，這個溫度足以融化鋁，可能是切換點。但是，那些只是估算值，因為目前還沒有測量震顫電擊可以產生的熱量。

團隊的另外一名學生 Ziwen Wang 認為，「為了開始回答我們的問題，我們必須去除形成"絲"時電壓和溫度之間的耦合效應。」

分析溫度需求

從根本上說，斯坦福大學的研究人員必須不使用電場加熱RRAM材料。所以，他們將RRAM晶元放置在微型熱階段（MTS）的設備中，其實就是一種複雜的電熱板，能夠在材料內部產生很寬範圍的溫度。當然，這項任務不僅僅是加熱材料，而且也能夠測量「絲」如何形成的。他們利用了RRAM材料在自然狀態下，可以成為絕緣體的特點，這樣就是使得它們成為「0」。一旦，「絲」行成，電子就可以流過。那麼數字「0」就會變成數字「1」，研究人員可以檢測到這個變化。

團隊使用這個實驗模型，將RRAM晶元放置在燃燒器內加熱，開始時的溫度是80 F （溫暖的室溫溫度），一直加熱到1520度，足以融化銀幣。研究人員通過加熱RRAM到不同的溫度，可以精確的測量到RRAM的在「0」和「1」之間的切換狀態。

讓他們驚喜的是，研究人員觀察到「絲」，在80 F 到260 F之間的溫度時，更容易形成，這個溫度比水的沸點要高，與之前期望的「溫度越高越好」相反。

如果在後續的研究中可以得到證實，它將成為一個好消息，因為在正在工作的晶元中，切換溫度將會由震顫電擊時的電壓創造。在較低溫度時候，高效的切換需要更少的電流，也可以讓RRAM更加節能，以延長使用存儲器的移動電子設備的電池續航時間。

這項研究的意義和未來

為了讓RRAM存儲器走向實踐，還有很多的工作要做。但是，這項研究為系統化地改變條件提供了一個測試平台，而不是依賴於「碰碰運氣」的預感。

Wang 這麼說：

「現在，我們以預測的方式，使用電壓和溫度作為設計輸入，這將讓我們設計更好的存儲設備。」

斯坦福大學畢業生 Henry Chen，他在Wang 的實驗室獲取博士頭銜，是這項研究最大助手，同時也是論文的合著者。Chen，現在和一家中國的內存晶元製造商兆易創新一起，希望開發概念和工具，讓研究人員更好地進行進一步的研究。

參考資料

【1】http://news.stanford.edu/2016/12/05/new-memory-technology-more-efficient-previously-thought/

【2】https://engineering.stanford.edu/news/stanford-team-combines-logic-memory-build-high-rise-chip

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