這種技術(shù)可能會成為處理器高級高速緩存中使用的SRAM的替代產(chǎn)品

本月初，由七名Arm Research工程師組成的小組成立了一家名為Cerfe Labs的初創(chuàng)公司，以將過去五年來與位于科羅拉多州的Symetrix共同致力于的實驗存儲技術(shù)商業(yè)化。而這項稱技術(shù)就叫做CeRAM（correlated electron）。按照他們的說法，這種技術(shù)可能會成為當(dāng)今處理器高級高速緩存中使用的快速訪問嵌入式SRAM的非易失性替代產(chǎn)品。除了能夠在沒有沒有電源的情況下保存數(shù)據(jù)之外（SRAM做不到），CeRAM的尺寸可能比SRAM還要小得多，這可能會緩解IC領(lǐng)域的問題，因為業(yè)界保持縮小晶體管的能力已到盡頭。

大多數(shù)半導(dǎo)體物理學(xué)都依賴于可以單獨處理電子的假設(shè)。但是半個多世紀以前， Neville Francis Mott指出，在某些材料中，當(dāng)電子被迫聚在一起時，“ ［這些材料］會產(chǎn)生奇怪的事情，”前Arm研究部研究員，現(xiàn)為Cerfe Labs首席技術(shù)官的Greg Yeric說，其中之一是金屬狀態(tài)和絕緣狀態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)換，稱為莫特轉(zhuǎn)換（Mott transition）。世界各地的實驗室一直在研究氧化釩和其他材料中的這種現(xiàn)象，而HP Labs最近則描述了一種依賴該原理的類似神經(jīng)元的設(shè)備。

Yeric說：“通過與Symetrix的合作，我們認為我們擁有的是電控相關(guān)電子（correlated-electron）開關(guān)，這種材料可以切換電阻狀態(tài)。”

這些公司正在探索多種材料，但是到目前為止，他們投入最多的材料是碳摻雜的氧化鎳（carbon-doped nickel oxide）。氧化物的自然狀態(tài)是不導(dǎo)電的。也就是說，與原子結(jié)合的電子的允許能態(tài)與自由移動的能態(tài)之間存在間隙。但是隨著碳的摻雜，材料成為導(dǎo)體。碳改變了能帶結(jié)構(gòu)以減小間隙。Yeric解釋說，這種從應(yīng)有的氧化物到金屬的變化是由于“相關(guān)”的電子-電子相互作用。如果從材料中提取出足夠多的電子，則效應(yīng)會降低到臨界點，并且能帶會分開，從而使材料再次成為絕緣體。

Yeric說：“我們有一組材料表現(xiàn)出這種轉(zhuǎn)變，并且重要的是，在每一側(cè)都具有非易失性狀態(tài)”。

設(shè)備本身只是夾在兩個電極之間的相關(guān)電子材料，其結(jié)構(gòu)類似于電阻式RAM，相變RAM和磁性RAM，但復(fù)雜性不如后者。就像這三個一樣，它是在硅上方的金屬互連層中構(gòu)造的，與SRAM的六個晶體管相反，它僅需要硅層中的一個晶體管即可訪問它。Yeric說，該公司已經(jīng)制造出了適合7納米CMOS工藝的設(shè)備，并且它們的尺寸和電壓都應(yīng)可擴展，以適應(yīng)未來的尖端半導(dǎo)體工藝節(jié)點。

但是CeRAM的速度可以使其很好地替代SRAM。迄今為止，他們已經(jīng)使CeRAM具有2納秒的脈沖寬度來寫入數(shù)據(jù)，這與處理器的L3高速緩存所需的速度相當(dāng)；Yeric說他們希望隨著開發(fā)速度的提高。

碳摻雜的氧化鎳材料還具有遠遠超過當(dāng)今的非易失性存儲器所能實現(xiàn)的性能，但尚未得到充分證明。例如，Cerfe Labs已證明該設(shè)備可在低至1.5開爾文的溫度下工作，這遠遠超出任何非易失性存儲器的工作溫度范圍，并且在量子計算控制電路中的作用范圍內(nèi)。在另一個方向，他們展示了器件在最高150°C的溫度下工作，并表明其在最高400°C的溫度下仍能保持其工作狀態(tài)。但是這些數(shù)字受到該公司可用設(shè)備的限制。此外，該器件的工作原理表明，CeRAM應(yīng)該自然抗電離輻射和磁場干擾。

Symetrix公司還開發(fā)了鐵電RAM，在一項名為FRANC的美國國防高級研究計劃局（DARPA）計劃的理論研究中，探索了相關(guān)的電子材料，從而為新型計算奠定了基礎(chǔ)。Symetrix“將模型放在一起，并能夠預(yù)測材料”，另一位Arm老將CEO Eric Hennenhoefer說。

Yeric說：“系統(tǒng)設(shè)計人員一直在尋求改進的內(nèi)存，因為幾乎每個系統(tǒng)都在某種程度上受到它可以訪問的內(nèi)存的限制?！?“在［Arm］討論可能的未來技術(shù)時，我們遇到了Symetrix技術(shù)。我們最終基于該技術(shù)的許可（非常早且具有推測性），在不折衷的前提下提高了嵌入式內(nèi)存的速度，密度，成本和功耗。

他說，CerfeLab的目標不是制造CeRAM，而是將技術(shù)開發(fā)到大型制造商將要接管開發(fā)的地步。新的內(nèi)存技術(shù)從發(fā)現(xiàn)到商業(yè)化的過程通常至少需要八到九年的時間。他估計，CeRAM大約只需一半的時間。

在尚待解決的問題中，涉及存儲器的耐用性-在存儲器開始出現(xiàn)故障之前可以切換多少次。從理論上講，CeRAM 設(shè)備中沒有任何元件會磨損。但是認為現(xiàn)實世界中不會有問題是天真的。Yeric說：“總是有外在的東西限制耐力?！?/p>

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