材料学院饶峰教授发表Science研究论文阐述相变存储器领域重大进展

发布时间:2019-08-23

822日,我校科研工作又传喜讯。材料学院峰特聘教授与美国翰霍普金斯大学恩教授、西安交通大学张伟教授合作,在面向高精度神用的相材料与器件研究方面取得重要展。成果以Phase-change heterostructure enables ultralow noise and drift for memory operation(超低噪声与漂移的相质结器)为题2019822日由Science志以First Release形式布。峰教授文共同通作者,团队丁科元博士后第一作者,深圳大学材料学院文第一

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论文截图

 

随着人工智能、大数据、超级计算机的迅猛展,要求传统商用算体系架构更加低功耗、高效率、低成本。当前传统冯诺依曼算体系架构采用二制数字信号且数据理与存分离,40%的能耗用于数据的往返搬运而非算或存界近年来致力于研基于新型非易失性存类脑算器件(Neuro-inspired computing devices),从而实现冯诺依曼架构的全新算体系,实现存算一体以及模信号理,实现整体算性能、效率的数量提升,以应对后摩定律代微纳电产业跨越式展需求。

随机存器(Phase-change random-access memoryPCRAM)是最成熟的新型非易失性存器技2015-2018实现化:Intel128-512 GBOptane芯片已作持久性存器(Persistent memory)替代存(NAND Flash)及部分内存(DRAM);近年来基于先PCRAM算器件已成为业界研焦点。然而商用PCRAM器件在反复可逆相操作程中,Ge2Sb2Te5GST)材料分逐步偏析乃至出现较大孔洞,其非晶相具有本征的时间显著漂移特性,且在晶化亦存在大的随机性,致使多数据操作态电动较大,致高密度存储阵列的元内反复多次操作一致性、同性低下,造成神噪声高,重制了高精度、高效率神算器件的开

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相变异质结PCH器件准二维相变与抑制组分偏析,确保超低数据态电阻波动。

 

聚焦此关科学问题峰、恩与张伟通力合作,提出了一种新式的相质结(Phase-change heterostructurePCH)设计,由多个交替堆叠的相变层与限制构成,并通原位加且低速生的多薄膜磁控射沉术实现了高PCH薄膜的制PCH可有效抑制玻璃材料构弛豫以及反复可逆相变过程中的分偏析,将PCRAM器件数据的阻和漂移降低到前所未有的水平。PCHPCRAM器件在迭代RESET操作实现9定的多(各漂移系数小于~0.005低于非晶GST器件的~0.11),并在累SET操作器件电导高一致性(波小于9%,而GST器件波动则40%);越的性能适用于精准矢量矩乘法算(precise vector-matrix multiplication calculations)、快速序相关探rapid temporal correlation detections)和其他要求高精度和高一致性的机器学machine-learning tasks)。此外,相比GST基器件而言,PCH器件的操作速度快一个数量(达10 ns)、操作寿命提升三个数量、操作功耗降低超87%,亦为发DRAM型高性能PCRAM器件提供了可行的解决方案。得指出的是,PCH构所采用的多膜制并不会大幅增加芯片制造成本或需开发额外复的工,可完美匹配PCRAM,将有助于大力推基于先子技的高性能神元感知芯片的开

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相变异质结PCH器件超低数据态阻值漂移与高精度的迭代RESET和累积SET操作。

 

深大团队开展该项工作得了国家自然科学基金秀青年基金目、广省重大科研基研究目、深圳市基研究科学布局目的助。

峰特聘教授文共同通作者,团队丁科元博士后第一作者,深圳大学材料学院文第一位。西安交大王疆靖博士、周宇星士,浙江大学田教授共同第一作者;合作者包括路璐博士(西安交大)、春林教授(西安交大、德国于利希研究中心)以及Riccardo Mazzarello教授(德国琛工大);其他合作位包括中科院上海微系所、林学院。

工作是峰教授201711Science传统冯诺伊曼算体系架构的超高速存(SRAM级钪锑碲相材料与器件研究成果:Reducing the stochasticity of crystal nucleation to enable sub-nanosecond memory writing. Rao et al., Science 358, 1423–1427 (2017),之后的又一重大展。20196峰教授还应邀在Science文:Catching structural transitions in liquids. Rao et al., Science 364, 1032–1033 (2019)述了相材料相变过程中的液-转变以及力学大幅反差的构根源,并提出了下一步实验算的研究方向。

 

附【https://science.sciencemag.org/content/early/2019/08/21/science.aay0291

 

(材料学院 供稿)