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Science发表崇实书院本科生共同一作研究成果:突破相变存储速度极限
日期:2017-11-10

11月10日,美国Science杂志以First Release的形式发表了西安交通大学与上海微系统与信息技术研究所的合作论文——Reducing the stochasticity of crystal nucleation to enable sub-nanosecond memory writing(降低晶体成核随机性以实现亚纳秒数据存储),该工作从接收到在线发表仅10天。

处于数字全球化的今天,爆炸式增长的信息对数据的存储与传输提出了极大的挑战,而且目前商用计算体系架构内各存储部件,即缓存(SRAM)、内存(DRAM)和闪存(NAND Flash)之间性能差距日益加大,其间的数据交换效率也已成为了电子设备发展的瓶颈。因此研发具备存储密度大、读写速度快、能耗低、非易失(即断电后数据不丢失)等特点的新式通用式存储介质势在必行。基于相变材料的相变存储器(PCRAM)是最接近商业化的通用式存储器,由国际半导体巨头Intel与Mircon联合推出的首款商用相变存储器“傲腾”已于今年投入市场。我国科研人员在国家的大力支持下,经过十多年的发展,也已能够初步实现相变存储器的产业化。但目前所有相变存储器的读写速度仍然无法媲美高速型存储器,如内存(纳秒)和缓存(亚纳秒)。除去工业化工艺水平问题,最为核心的难题是传统相变材料(锗锑碲)形核随机性较大,其结晶化过程通常需要几十至几百纳秒,而结晶化速度直接对应着写入速度。

新式钪锑碲(SST)相变存储器件0.7纳秒的高速写入操作以及其微观结晶化机理

为解决写入速度瓶颈问题,西安交通大学材料学院金属材料强度国家重点实验室微纳中心(CAMP-Nano)张伟教授、“千人计划”学者马恩教授与中国科学院上海微系统与信息技术研究所饶峰副研究员通力合作,利用材料计算与设计的手段筛选出新型相变材料钪锑碲合金。该材料利用结构适配且更加稳定的钪碲化学键来加速晶核的孕育过程,显著降低形核过程的随机性,大幅加快结晶化即写入操作速度。与业内性能最好的相变器件相比,钪锑碲器件的操作速度提升超过10多倍,达到了0.7纳秒的高速可逆操作,并且降低操作功耗近10倍。通过材料模拟计算,研究人员清晰地揭示了超快结晶化以及超低功耗的微观机理。这一研究成果对深入理解和调控非晶态材料的形核与生长机制具有重要的指导意义,并为实现我国自主的通用存储器技术奠定了基础。

该项工作的材料计算与设计部分由西安交大完成:材料学院大四本科生周宇星为该工作的共同第一作者,青年千人学者张伟教授为共同通讯作者,负责论文投稿。该项工作得到了国家自然科学基金(编号:61774123、51621063),中组部千人计划,西安交大青年拔尖人才计划的支持。计算资源由西安交大网信中心高性能计算平台以及国家超级计算深圳中心提供。

论文信息: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


论文链接:http://science.sciencemag.org/content/early/2017/11/08/science.aao3212


内容来源:材料学院

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