為了擴(kuò)展微電子的能力邊界，以滿足人類日益增長(zhǎng)的需求，需要能夠在極低和極高溫度下運(yùn)行的新組件。在第一種情況下，可以連接經(jīng)典計(jì)算機(jī)和量子平臺(tái)。在第二種情況下，有一種方法可以在極深的地方工作，例如在高超音速和太空中，例如在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中。這很重要。

近期，賓夕法尼亞大學(xué)的一組科學(xué)家在《自然電子學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇文章，他們報(bào)告了鐵電非易失性存儲(chǔ)器（鐵二極管）原型的開發(fā)和創(chuàng)建，該原型能夠在高達(dá)600°C的溫度下連續(xù)工作60小時(shí)。


耐高溫存儲(chǔ)器持續(xù)突破

耐高溫存儲(chǔ)器的研發(fā)對(duì)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(cè)井(LWD)方面，這是一種先進(jìn)的測(cè)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(guò)，這項(xiàng)應(yīng)用的挑戰(zhàn)在于，由于勘測(cè)環(huán)境的高溫，很多數(shù)據(jù)無(wú)法存儲(chǔ)，也就無(wú)法獲取準(zhǔn)確的地質(zhì)情況，以及無(wú)法用于設(shè)備的進(jìn)一步研發(fā)。

像隨鉆測(cè)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(guò)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℃。

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。

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。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(guò)千萬(wàn)次，并且在340℃高溫環(huán)境下可以穩(wěn)定地工作。


存儲(chǔ)器的創(chuàng)新在于材料

該新型存儲(chǔ)器屬于非易失性類型，意味著即使斷電，存儲(chǔ)的信息也能得以保存。與之形成對(duì)比的是，常規(guī)的硅基閃存產(chǎn)品在溫度攀升至200℃以上時(shí)便開始失效，從而引發(fā)設(shè)備錯(cuò)誤及數(shù)據(jù)丟失。

創(chuàng)新之處在于，此存儲(chǔ)器采用了鐵電氮化鋁鈧(AIScN)作為核心材料。AIScN的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于，它能夠在較高溫度下，即便沒有外加電場(chǎng)，依然能維持特定的電狀態(tài)，如開或關(guān)。此外，AIScN的晶體結(jié)構(gòu)賦予了其原子間更為穩(wěn)定和堅(jiān)固的鍵合，這不僅增強(qiáng)了材料的耐熱性，也極大地提升了耐用度。

在最新的研究上，賓夕法尼亞大學(xué)團(tuán)隊(duì)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(lái)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)。

從設(shè)計(jì)上看，這款存儲(chǔ)器構(gòu)建于金屬-絕緣體-金屬的基礎(chǔ)架構(gòu)上，配置了鎳和鉑作為電極，并嵌入了一層僅45納米厚的AISCN薄膜。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅使得存諸器能夠與針對(duì)極端溫度優(yōu)化的碳化硅邏輯器件無(wú)縫對(duì)接，還確保了它能與高性能計(jì)算系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)，尤其適合那些專為嚴(yán)酷環(huán)境定制的系統(tǒng)。


極端環(huán)境計(jì)算添新利器

對(duì)于一些嚴(yán)苛環(huán)境來(lái)說(shuō)，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(guò)，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(wú)法成行。

這款可在600℃高溫下持續(xù)工作60小時(shí)的存儲(chǔ)器。這一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，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)。

研究人員表示，這款存儲(chǔ)器是一種非易失性設(shè)備，能在無(wú)電源狀態(tài)下長(zhǎng)期保留存儲(chǔ)器上的信息。相較之下，傳統(tǒng)硅基閃存在溫度超過(guò)200℃時(shí)便開始失效，導(dǎo)致設(shè)備故障和信息丟失。此外，新存儲(chǔ)器是一種“內(nèi)存增強(qiáng)型計(jì)算”設(shè)備，很穩(wěn)定，能使內(nèi)存和處理元件更緊密地集成在一起，提高計(jì)算的速度、復(fù)雜性和效率。他們將繼續(xù)探索將新設(shè)備用于極端環(huán)境下運(yùn)行的AI系統(tǒng)。

該項(xiàng)目由來(lái)自賓夕法尼亞大學(xué)的 Deep Jariwala 帶領(lǐng)，他表示：“從鉆探地球深部到探索太空，我們的高溫存儲(chǔ)設(shè)備可以帶來(lái)先進(jìn)的計(jì)算，而其他電子設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備則無(wú)法做到這一點(diǎn)。這不僅僅是改進(jìn)設(shè)備，而是開辟了新的領(lǐng)域”。