Science發(fā)表西安交大合作研究成果：突破相變存儲(chǔ)速度極限

　　11月10日，美國(guó)Science雜志以First Release的形式發(fā)表了西安交通大學(xué)與上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的合作論文——Reducing the stochasticity of crystal nucleation to enable sub-nanosecond memory writing(降低晶體成核隨機(jī)性以實(shí)現(xiàn)亞納秒數(shù)據(jù)存儲(chǔ))，該工作從接收到在線發(fā)表僅10天。

　　處于數(shù)字全球化的今天，爆炸式增長(zhǎng)的信息對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與傳輸提出了極大的挑戰(zhàn)，而且目前商用計(jì)算體系架構(gòu)內(nèi)各存儲(chǔ)部件，即緩存(SRAM)、內(nèi)存(DRAM)和閃存(NAND Flash)之間性能差距日益加大，其間的數(shù)據(jù)交換效率也已成為了電子設(shè)備發(fā)展的瓶頸。因此研發(fā)具備存儲(chǔ)密度大、讀寫(xiě)速度快、能耗低、非易失(即斷電后數(shù)據(jù)不丟失)等特點(diǎn)的新式通用式存儲(chǔ)介質(zhì)勢(shì)在必行。基于相變材料的相變存儲(chǔ)器(PCRAM)是最接近商業(yè)化的通用式存儲(chǔ)器，由國(guó)際半導(dǎo)體巨頭Intel與Mircon聯(lián)合推出的首款商用相變存儲(chǔ)器“傲騰”已于今年投入市場(chǎng)。我國(guó)科研人員在國(guó)家的大力支持下，經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，也已能夠初步實(shí)現(xiàn)相變存儲(chǔ)器的產(chǎn)業(yè)化。但目前所有相變存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)速度仍然無(wú)法媲美高速型存儲(chǔ)器，如內(nèi)存(納秒)和緩存(亞納秒)。除去工業(yè)化工藝水平問(wèn)題，最為核心的難題是傳統(tǒng)相變材料(鍺銻碲)形核隨機(jī)性較大，其結(jié)晶化過(guò)程通常需要幾十至幾百納秒，而結(jié)晶化速度直接對(duì)應(yīng)著寫(xiě)入速度。

　　新式鈧銻碲(SST)相變存儲(chǔ)器件0.7納秒的高速寫(xiě)入操作以及其微觀結(jié)晶化機(jī)理

　　為解決寫(xiě)入速度瓶頸問(wèn)題，西安交通大學(xué)材料學(xué)院金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室微納中心(CAMP-Nano)張偉教授、“千人計(jì)劃”學(xué)者馬恩教授與中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所饒峰副研究員通力合作，利用材料計(jì)算與設(shè)計(jì)的手段篩選出新型相變材料鈧銻碲合金。該材料利用結(jié)構(gòu)適配且更加穩(wěn)定的鈧碲化學(xué)鍵來(lái)加速晶核的孕育過(guò)程，顯著降低形核過(guò)程的隨機(jī)性，大幅加快結(jié)晶化即寫(xiě)入操作速度。與業(yè)內(nèi)性能最好的相變器件相比，鈧銻碲器件的操作速度提升超過(guò)10多倍，達(dá)到了0.7納秒的高速可逆操作，并且降低操作功耗近10倍。通過(guò)材料模擬計(jì)算，研究人員清晰地揭示了超快結(jié)晶化以及超低功耗的微觀機(jī)理。這一研究成果對(duì)深入理解和調(diào)控非晶態(tài)材料的形核與生長(zhǎng)機(jī)制具有重要的指導(dǎo)意義，并為實(shí)現(xiàn)我國(guó)自主的通用存儲(chǔ)器技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

　　該項(xiàng)工作的材料計(jì)算與設(shè)計(jì)部分由西安交大完成：材料學(xué)院大四本科生周宇星為該工作的共同第一作者，青年千人學(xué)者張偉教授為共同通訊作者，負(fù)責(zé)論文投稿。該項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(編號(hào)：61774123、51621063)，中組部千人計(jì)劃，西安交大青年拔尖人才計(jì)劃的支持。計(jì)算資源由西安交大網(wǎng)信中心高性能計(jì)算平臺(tái)以及國(guó)家超級(jí)計(jì)算深圳中心提供。

　　論文信息：Feng Rao,#* Keyuan Ding,#Yuxing Zhou,#Yonghui Zheng, Mengjiao Xia, Shilong Lv, Zhitang Song,* Songlin Feng, Ider Ronneberger, Riccardo Mazzarello, Wei Zhang,* and Evan Ma, Reducing the stochasticity of crystal nucleation to enable sub-nanosecond memory writing, 2017, Science, DOI: 10.1126/science.aao3212