耐600℃高溫存儲(chǔ)器問世，有助于開發(fā)極端環(huán)境下的應(yīng)用

電子發(fā)燒友網(wǎng)（文/吳子鵬）近日，美國賓夕法尼亞大學(xué)科學(xué)家研制出一款可在600℃高溫下持續(xù)工作60小時(shí)的存儲(chǔ)器。據(jù)悉，目前市場上主流的存儲(chǔ)器耐溫極限是200℃，一旦超過了200℃便開始失效，導(dǎo)致設(shè)備故障和信息丟失。因此，這種新型存儲(chǔ)的耐受溫度是目前商用存儲(chǔ)設(shè)備的兩倍多，表明該存儲(chǔ)器具有極強(qiáng)的可靠性和穩(wěn)定性。

這款新型存儲(chǔ)有望在可導(dǎo)致電子或存儲(chǔ)設(shè)備故障的極端環(huán)境下大顯身手，也為在惡劣條件下進(jìn)行密集計(jì)算的人工智能系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)論文發(fā)表于新一期《自然·電子學(xué)》雜志。

圖源：《自然·電子學(xué)》雜志

耐高溫存儲(chǔ)器持續(xù)突破

耐高溫存儲(chǔ)器的研發(fā)對于極端環(huán)境下部署相關(guān)應(yīng)用有重要的價(jià)值。比如，在隨鉆測井(LWD)方面，這是一種先進(jìn)的測井技術(shù)，是地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的重要組成部分，它提供的信息是井眼軌道控制決策的重要依據(jù)。不過，這項(xiàng)應(yīng)用的挑戰(zhàn)在于，由于勘測環(huán)境的高溫，很多數(shù)據(jù)無法存儲(chǔ)，也就無法獲取準(zhǔn)確的地質(zhì)情況，以及無法用于設(shè)備的進(jìn)一步研發(fā)。像這樣的場景有很多，比如工業(yè)制造中在高溫中運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備，很多也無法獲取有價(jià)值的數(shù)據(jù)，瓶頸就在于存儲(chǔ)器。

像隨鉆測井(LWD)這類型的應(yīng)用，一般都要求存儲(chǔ)設(shè)備具備150℃的耐溫，不過我們都知道傳統(tǒng)存儲(chǔ)器一般耐溫范圍是-40℃到125℃。因此，150℃耐溫也是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。2021年時(shí)，日本當(dāng)時(shí)的初創(chuàng)企業(yè)Floadia(富提亞科技)就研發(fā)出了一種150℃高溫下數(shù)據(jù)可保存10年的每單元7個(gè)比特(7bpc)的閃存。

這種存儲(chǔ)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和材料創(chuàng)新，據(jù)報(bào)道，F(xiàn)loadia在硅-氧化物-氮化物-氧化物-硅(SONOS)布局的基礎(chǔ)上，使用分布式電荷捕獲型結(jié)構(gòu)，中間設(shè)置了一層氮化硅薄膜，可以牢牢捕獲電荷，另外使用了二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)材料，使得這種閃存的耐溫達(dá)到了150℃。這種閃存可以維持超過10萬次編程擦寫循環(huán)，是一款準(zhǔn)商業(yè)的產(chǎn)品。

當(dāng)然，實(shí)際上在2018年之前，存儲(chǔ)器的耐溫記錄已經(jīng)達(dá)到了200℃，因此研發(fā)200℃以上耐溫的存儲(chǔ)器才是科技前沿。根據(jù)國家自然科學(xué)基金委員會(huì)的消息，2018年南京大學(xué)物理學(xué)院繆峰教授課題組與南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院王鵬教授、馬薩諸塞大學(xué)楊建華教授就將憶阻器的耐溫記錄提升到了340℃。在這個(gè)項(xiàng)目中，課題組利用二維層狀硫氧化鉬（MoS2-xOx）、石墨烯構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)的范德華異質(zhì)結(jié)，實(shí)現(xiàn)了基于全二維材料的、可耐受超高溫和強(qiáng)應(yīng)力的高魯棒性憶阻器。

圖源：國家自然科學(xué)基金委員會(huì)

這種新型的結(jié)構(gòu)和材料，可以讓憶阻器的擦寫速度小于100 ns ，可擦寫次數(shù)超過千萬次，并且在340℃高溫環(huán)境下可以穩(wěn)定地工作。這一論文結(jié)果也發(fā)布在《自然·電子學(xué)》雜志上。

新型存儲(chǔ)器使用鐵電氮化鋁鈧（AlScN）

材料創(chuàng)新是存儲(chǔ)器創(chuàng)新的關(guān)鍵一環(huán)，縱覽存儲(chǔ)器前沿的研究成果，都少不了材料創(chuàng)新的影子。在美國賓夕法尼亞大學(xué)科學(xué)家的項(xiàng)目中，該團(tuán)隊(duì)使用了鐵電氮化鋁鈧（AlScN）。

該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一種生長在4英寸硅片上的鎳/AlScN/鉑的金屬-絕緣體-金屬結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，來自賓夕法尼亞大學(xué)的Deep Jariwala、Roy H. Olsson III和美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室的Nicholas R. Glavin等人去年就在《自然納米技術(shù)》上發(fā)表了一些關(guān)于氮化鋁鈧的研究成果。

根據(jù)當(dāng)時(shí)的論文，氮化鋁鈧的鐵電材料上層疊了稱為二硫化鉬（MoS2）的二維半導(dǎo)體，利用這種組合，賓夕法尼亞大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一種非常薄的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)單元的面積都是行業(yè)最小的。

在最新的研究上，賓夕法尼亞大學(xué)團(tuán)隊(duì)又用氮化鋁鈧突破了存儲(chǔ)器的耐溫記錄。該存儲(chǔ)設(shè)備由金屬—絕緣體—金屬結(jié)構(gòu)組成，包括鎳和鉑電極以及一層45納米厚的AlScN。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使該存儲(chǔ)器能與高溫碳化硅邏輯器件兼容，與專為極端溫度設(shè)計(jì)的高性能計(jì)算系統(tǒng)協(xié)同工作。據(jù)悉，在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，氮化鋁鈧帶來的好處是能夠在更高溫度下保持開和關(guān)等特定電狀態(tài)。

結(jié)語

對于一些嚴(yán)苛環(huán)境來說，部署人工智能系統(tǒng)的意義更為重大，因?yàn)檫@些環(huán)境是不允許人類到達(dá)的。不過，由于傳統(tǒng)存儲(chǔ)器在耐溫方面存在不足，導(dǎo)致很多項(xiàng)目無法成行。賓夕法尼亞大學(xué)團(tuán)隊(duì)最新的研究成果將存儲(chǔ)器耐溫提高到了600℃，有助于將AI帶到更加嚴(yán)苛的環(huán)境中。