据美国德克萨斯大学奥斯汀分校官网近日报道，该校研究人员创造出了迄今为止最小的存储器，其横截面积仅1平方纳米，容量约为25太比特/平方厘米。

背景

从“消费电子产品”到“大数据”再到“脑启发计算”，一系列新兴的科技都对芯片都提出了更高的要求：更快、更小、更智能、更节能。在存储器领域，科学家们正在探索各式各样的新技术，以应对性能、尺寸、功耗以及智能化等方面的诸多挑战。

（图片来源：日本东北大学）

其中，忆阻器是近年来颇受关注的存储领域的创新技术，这是一种具备记忆功能的非线性电阻。其阻值可通过控制电流变化来改变，如果把高阻值定义为“1”，低阻值定义为“0”，就可以实现数据存储功能。

忆阻器芯片(图片来源：南安普敦大学)

忆阻器芯片(图片来源：南安普敦大学)

然而，忆阻器不仅可以存储数据，还可以进行逻辑计算，因此可有效解决CPU与内存的速度不匹配问题，即所谓的“冯·诺依曼瓶颈”和“内存墙”问题，进一步突破带宽和功耗的限制。

忆阻器芯片（图片来源：Wei Lu）

忆阻器的工作方式类似人类神经突触。施加电压脉冲之后，其电阻会发生变化，就像生物神经元一样。当电阻值低时，这种突触连接会加强；当电阻值高时，这种突触连接会减弱。忆阻器的学习能力，正是基于这种可调整的电阻。因此，忆阻器被认为是下一代神经网络和脑启发计算里最有前景的硬件单元。

通过忆阻器阵列模仿神经元和突触的工作方式（图片来源：功能材料自旋电子学研究小组，格罗宁根大学）

2018年，笔者曾介绍过，为了提高忆阻器的存储密度和可扩展性，美国德克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin）的电气工程师团队与中国北京大学的科学家们合作开发出当时最薄的高存储密度存储器：“atomristor”。

（图片来源：科克雷尔学工程学院）

研究团队发现二硫化钼（MoS2）等原子级二维材料的非易失性记忆效应。这种效应类似金属氧化物材料中的忆阻器。通过采用金属原子薄片（石墨烯）作为电极，半导体原子薄片（二硫化钼）作为活性层，整个存储单元如同一个1.5纳米厚的三明治，从而可以在一个平面中逐层地密集封装“atomristor”。相对于传统的存储器件，“atomristor”的优势很明显，即占据的空间小得多，厚度薄得多，电子流动也更快速、更高效。

创新

近日，该校研究人员在之前研究的基础上又取得了新进展，创造出了迄今为止最小的存储器。而且在这个过程中，他们搞清楚了解锁这些小型器件高密度存储能力的物理动力学。

（图片来源：德克萨斯大学奥斯汀分校）

这项研究近期发表在《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志上，基于他们两年前的研究成果，当时他们创造出了最薄的存储器。在这项新工作中，研究人员进一步缩小了尺寸，将横截面积缩小至仅1平方纳米。

技术

掌握了将“高密度存储能力”嵌入这些器件的物理学原理，就可以使器件变得更小。材料中的缺陷或孔洞是其拥有高密度存储能力的关键。

电气与计算机工程系教授德杰·阿金沃德（Deji Akinwande）表示：“当单个额外的金属原子进入纳米孔洞并填充它时，会将自己的一些导电性能赋予材料，这会导致变化或存储效应。”

尽管他们使用了二硫化钼作为研究中最主要的纳米材料，但是研究人员认为这项发现将应用到数百个相关的原子厚度的材料。

打造更小的芯片和组件的竞赛归根到底是功率和便捷性的问题。通过更小的处理器，你可以制造更紧凑的计算机和手机。而缩小芯片尺寸，也会降低其能量需求和增加容量，这意味着将带来更快速、更智能、更低运行功耗的器件。

美国陆军研究办公室资助了这一研究，该办公室项目经理帕尼·瓦拉纳西（Pani Varanasi）表示：“在这项研究中获得的成果为开发国防部感兴趣的下一代应用，例如超高密度存储、神经形态计算系统、射频通信系统等铺平了道路。”

起初的器件被研究团队称为“atomristor”，是当时最薄的存储器，只有单个原子层的厚度。但是缩小存储器的尺寸不仅仅是使它更薄，而且还要使它的横截面积更小。

阿金沃德表示：“存储器领域的‘圣杯’是缩小到一个程度，即用单个原子控制存储功能，而我们在新研究中实现了这一点。”

这个版本的忆阻器是在美国橡树岭国家实验室的先进设施中开发的，可达到25太比特/平方厘米的容量。与目前的商用闪存相比，每层的存储密度提高了100倍。

关键词

存储器、芯片、忆阻器

参考资料

【1】Saban M. Hus, Ruijing Ge, Po-An Chen, Liangbo Liang, Gavin E. Donnelly, Wonhee Ko, Fumin Huang, Meng-Hsueh Chiang, An-Ping Li, Deji Akinwande. Observation of single-defect memristor in an MoS2 atomic sheet. Nature Nanotechnology, 2020; DOI: 10.1038/s41565-020-00789-w

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