新型阻變存儲器：更快速、更省電！
背景
如今，越來越多的物體變得「智能化」，例如智能手錶、智能服裝、智能家居等等。然而，智能化不斷深入與物聯網蓬勃發展，對於存儲技術提出了更高的要求，更加需要以「低功耗方式」高速存儲和獲取大量數據。
因此，晶元製造商們一直都在尋求更佳的存儲技術，讓更多的物體變得智能化。下一代存儲器件的可能性之一，就是「阻變存儲器」，或者簡稱「RRAM」。在 RRAM 中，電流通常被驅動通過由堆疊材料組成的內存單元，引起電阻變化，並存儲器中記錄數據「0」或「1」。存儲單元中這一連串的「0」和「1」代表的信息片段，可被計算機讀取，用於執行函數，然後再存儲到內存中。
RRAM 存儲器，比目前其他的存儲技術更加快速且省電。此外，RRAM 存儲器還可以用於改善存儲器件與邏輯器件之間的通信。
例如，美國斯坦福大學團隊曾開發出一種「三維晶元」，將存儲器和邏輯單元，像樓板一樣一層一層地交替放置，並採用成千上萬的垂直納米連接進行通信。這樣縮短了數據傳輸的距離，讓數據傳輸得更快，使用的電量更少。這種方法有效規避了傳統二維結構的計算機晶元中邏輯單元與存儲單元之間存在的通信瓶頸問題。
(圖片來源：斯坦福大學)
(圖片來源：斯坦福大學)
RRAM 有這麼多的優勢，為什麼RRAM 至今尚未在計算機晶元中得到大規模使用呢？其中一個重要原因是：材料需要足夠「健壯」，才能滿足至少萬億次存儲和獲取數據的需求，但是目前使用的材料可靠性太低。
創新
近日，二碲化鉬 (Molybdenum Ditelluride) 材料中之前未被觀察到的功能得以發現，幾百萬個存儲單元有望成為計算晶元的一部分，提供高速省電的數據存儲方式，並且解決上述問題。
這種二維材料堆疊到多層中構建出存儲單元。美國普渡大學、國家標準與技術研究院（NIST）以及泰斯研究公司（Theiss Research Inc）的研究人員們合作設計出這種器件。他們的研究成果發表在提前在線發行的《自然材料（Nature Materials）》期刊上。普渡大學技術商業化辦公室已為這項技術申請了兩項美國專利。
(圖片來源：普渡大學)
技術
普渡大學電氣與計算機工程系教授、比爾克納米技術中心納米電子學科技總監 Joerg Appenzeller 表示：「我們還沒有檢查採用這種材料的系統的疲勞度，但是我們希望比其他方案更快且更可靠，因為我們觀察到了它具有獨特的開關機制。」
垂直的基於TMD的器件特性（圖片來源：參考資料【2】）
下圖所示：基於2H-MoTe2- 和 2H-Mo1?xWxTe2- 的 RRAM 的表現以及根據薄片的厚度設置的電壓。
（圖片來源：參考資料【2】）
C-AFM 和 STEM 測量與分析（圖片來源：參考資料【2】）
二碲化鉬，使系統能在「0」和「1」之間切換得更快，有望加速信息的存儲與獲取。這是因為，當電場施加到存儲單元上時，原子的位置產生微小移動，從而帶來高電阻狀態，標記為「0」；或者低電阻狀態，標記為「1」。這種速度比傳統 RRAM 器件中的開關速度要快得多。
在計算機晶元中，每個存儲單元位於電線交叉點上，形成一種稱為「交叉點RRAM」的存儲陣列。
價值
Appenzeller 表示：「因為這些電阻狀態改變需要的功耗更低，電池可以持續更長的時間。」
Appenzeller 的實驗室利用在 NIST 製造的新型電子材料庫，想要嘗試構建堆疊存儲單元，這些存儲單元也包含了計算機晶元的其他主要元器件：「邏輯器件」（用於處理數據）以及「互連線」（用於傳輸電信號），
Appenzeller 表示：「邏輯器件與互連線也會消耗電池電量，因此完整的二維架構的好處在於，在更小的空間中帶來更多的功能，以及存儲與邏輯器件之間更好的通信。」
關鍵字
二維材料、存儲技術、阻變式存儲器
參考資料
【1】https://www.purdue.edu/newsroom/releases/2018/Q4/data-use-draining-your-battery-tiny-device-to-speed-up-memory-while-also-saving-power.html
【2】Feng Zhang, Huairuo Zhang, Sergiy Krylyuk, Cory A. Milligan, Yuqi Zhu, Dmitry Y. Zemlyanov, Leonid A. Bendersky, Benjamin P. Burton, Albert V. Davydov, Joerg Appenzeller.Electric-field induced structural transition in vertical MoTe2- and Mo1–xWxTe2-based resistive memories. Nature Materials, 2018; 18 (1): 55 DOI: 10.1038/s41563-018-0234-y
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