计算机存储器的理想尺寸 2017-12-05

导读


在计算机存储技术领域,瑞士科学家对于导电桥接随机存取内存(CBRAM )超精准的仿真显示出其最佳的几何结构:一个差不多只有10个原子厚度的绝缘体像三明治一般夹在两个电极之间。


背景


未来,CBRAM 导电桥接随机存取内存)将在非易失性存储器领域中起到基础性作用。CBRAM 是一种低耗电、与CMOS兼容的内存,可定制应用在各类嵌入式市场和独立存储器市场但是为了减少类似组件的尺寸和功耗,科学家们必须在原子水平精准理解CBRAM 的行为


创新


瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)副教授 Mathieu Luisier 及其团队一起研究出这种存储器,它由绝缘体分隔开的两个金属电极组成。研究人员开发出了CBRAM 的计算机模型,它由4500个原子组成,且遵循微观世界的量子力学原理。随着金属纳米纤维丝在电极之间形成和溶解,这种原子级仿真可以精准地描述金属纳米纤维丝产生的电流密度。

(图片来源:Mathieu Luisier / ETH Zurich


2017年12月,这项研究成果将发表于美国旧金山召开的 IEDM 会议。


技术


瑞士苏黎世联邦理工学院教授 Mathieu Luisier 表示,这是一个巨大的进步。到目前为止,现有模型只能控制差不多一百个原子。这种新模型精准地复现该存储器中的电流和能量耗散,从而计算出它的温度。研究人员能够观察到绝缘体厚度和金属纤维丝直径的变化效果。两个电极靠得更近时,局部功耗和热量都会减少。但是从某种程度而言,靠得太近得电极会受到量子隧穿效应的影响,而且它们之间的电流将不再受控。

(图片来源:参考资料【2】)

(图片来源:参考资料【2】)

(图片来源:参考资料【2】)

这项研究显示,在优化过的CBRAM几何结构中,绝缘体只有1.5到2纳米(10个原子)的厚度。制造工艺仍然是重要挑战,不过机器能够实现这样的尺寸,它使用的是热探针光刻技术,可是目前仍不适合量产。Luisier 表示,如今,典型的CMOS型晶体管通道约20纳米,比他们研究的CBRAM绝缘体厚10倍。因此可以说,未来十年摩尔定律(预测了当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍,意味着元器件的尺寸将更小)将严峻挑战。


为了实现4500个原子的模型,研究人员得到了位于卢加诺的瑞士国家超级计算中心世界第三强大的计算机 Piz Daint 的支持。它每秒可进行2亿亿次运算。该研究需要230张使用最先进技术的图形卡;Piz Daint 拥有的图形卡数量4000张。每张卡都有自己的CPU。Luisier 表示,即使利用这种强大的计算功能,仍需要10小时左右仿真一个存储器以及判断电气特性。


价值


毫无疑问,这项研究代表了存储器领域技术研究的最新进展,通过在原子水平精准理解CBRAM的行为,有利于科学家未来进一步减小CBRAM组件的尺寸并降低其功耗。


关键字


存储半导体


参考资料


【1】http://www.snf.ch/en/researchinFocus/newsroom/Pages/news-171204-press-release-ideal-size-for-computer-memory.aspx

【2】F. Ducry et al.: Ab-initio Modeling of CBRAM Cells: from Ballistic
Transport Properties to Electro-Thermal Effects. Proceedings of the IEDM Conference 2017. https://iis-people.ee.ethz.ch/~mluisier/iedm_abstract_ducry.pdf


了解更多前沿技术文章,请点击“阅读原文”。咨询和交流,请联系微信:JohnZh1984。

标签: