復(fù)旦大學(xué)和清華大學(xué)團(tuán)隊在存儲芯片上創(chuàng)下新突破
關(guān)鍵詞： 存儲芯片 復(fù)旦大學(xué) 科研成果
復(fù)旦團(tuán)隊研發(fā)超快閃存集成工藝，可實現(xiàn)20納秒超快編程、10年非易失；清華大學(xué)團(tuán)隊則提出一種基于磁振子的新型邏輯器件，有望重構(gòu)邏輯存儲器。
近日，復(fù)旦大學(xué)和清華大學(xué)團(tuán)隊在存儲芯片上創(chuàng)下新突破。復(fù)旦團(tuán)隊研發(fā)超快閃存集成工藝，可實現(xiàn)20納秒超快編程、10年非易失；清華大學(xué)團(tuán)隊則提出一種基于磁振子的新型邏輯器件，有望重構(gòu)邏輯存儲器。
復(fù)旦團(tuán)隊研發(fā)超快閃存集成工藝，突破存儲速度極限
非易失性存儲器是指即使在存儲器芯片的電源被關(guān)閉時，也可以保存數(shù)據(jù)的計算機(jī)存儲器。常見的非易失性存儲器包括閃存（Flash Memory）、只讀存儲器（ROM），以及一些新技術(shù)如磁性隨機(jī)存儲器（MRAM）、鐵電隨機(jī)存儲器（FeRAM）、相變存儲器（PCM）等。其中閃存是目前占主導(dǎo)地位的非易失性存儲器技術(shù)，但在速度方面受到限制。
據(jù)復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院官方消息，近日，復(fù)旦大學(xué)周鵬-劉春森團(tuán)隊《二維超快閃存的規(guī)模集成工藝》（“A scalable integration process for ultrafast two-dimensional flash memory”）論文發(fā)表于國際頂尖期刊《自然-電子學(xué)》（Nature Electronics）上，該團(tuán)隊報告了一種可擴(kuò)展的超快2D閃存集成過程，可用于集成1,024 個閃存設(shè)備，產(chǎn)率超過98%。
復(fù)旦大學(xué)周鵬-劉春森團(tuán)隊從界面工程出發(fā)，團(tuán)隊在國際上首次驗證了1kb超快閃存陣列集成驗證，并證明了超快特性可延伸至亞10納米。其前期研究表明二維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑺俣忍嵘磺П兑陨希瑢崿F(xiàn)顛覆性的納秒級超快存儲閃存。然而，如何實現(xiàn)規(guī)模集成、走向?qū)嶋H應(yīng)用極具挑戰(zhàn)。
超快閃存集成工藝和統(tǒng)計性能
團(tuán)隊開發(fā)了超界面工程技術(shù)，在規(guī)?；S閃存中實現(xiàn)了具備原子級平整度的異質(zhì)界面，結(jié)合原子級精度的表征技術(shù)，驗證集成工藝顯著優(yōu)于國際水平。通過嚴(yán)格的直流存儲窗口、交流脈沖存儲性能測試，證實了二維閃存在1Kb存儲規(guī)模中，納秒級非易失編程速度下良率高達(dá)98%，這一良率已高于國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖（International Technology Roadmap for Semiconductors）對閃存制造89.5%的良率要求。
同時，研究團(tuán)隊研發(fā)了不依賴先進(jìn)光刻設(shè)備的自對準(zhǔn)工藝，結(jié)合原始創(chuàng)新的超快存儲疊層電場設(shè)計理論，成功實現(xiàn)了溝道長度為8納米的超快閃存器件，是目前最短溝道閃存器件，并突破了硅基閃存物理尺寸極限（約15納米）。在原子級薄層溝道支持下，這一超小尺寸器件具備20納秒超快編程、10年非易失、十萬次循環(huán)壽命和多態(tài)存儲性能。有望推動超快顛覆性閃存技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。
據(jù)悉，復(fù)旦大學(xué)集成芯片與系統(tǒng)全國重點實驗室、芯片與系統(tǒng)前沿技術(shù)研究院劉春森研究員和微電子學(xué)院周鵬教授為論文通訊作者，劉春森研究員和博士生江勇波、曹振遠(yuǎn)為論文第一作者。研究工作得到了科技部重點研發(fā)計劃、基金委重要領(lǐng)軍人才計劃、上海市基礎(chǔ)特區(qū)計劃、上海市啟明星等項目的資助，以及教育部創(chuàng)新平臺的支持。
清華集成電路學(xué)院南天翔課題組合作提出一種基于磁振子的新型邏輯器件
此外，近日清華大學(xué)集成電路學(xué)院南天翔課題組及合作者提出利用電壓原位控制鐵酸鉍異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的多鐵磁振子自旋力矩，從而實現(xiàn)可重構(gòu)邏輯存儲器。目前相關(guān)研究成果已經(jīng)以“電壓調(diào)控多鐵磁振子力矩實現(xiàn)可重構(gòu)邏輯存儲器”（Voltage control of multiferroic magnon torque for reconfigurable logic-in-memory）為題，在線發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。
圖1 多鐵性磁振子自旋力矩器件的工作原理
據(jù)悉，內(nèi)存計算利用能夠在同一設(shè)備內(nèi)同時執(zhí)行信息存儲和邏輯運(yùn)算的非易失性存儲器，有望在顯著降低能耗的同時增強(qiáng)人工智能傳輸，而該過程不可避免地會產(chǎn)生焦耳熱。
近期該研究發(fā)現(xiàn)，磁振子可以在亞鐵磁和反鐵磁絕緣體中傳輸自旋而不涉及電荷運(yùn)動，在作為信息載體處理和傳輸信息時不產(chǎn)生明顯的熱耗散，是開發(fā)低耗散自旋邏輯-存儲設(shè)備的有效途徑。非相干磁振子可以在直流電路中被電（或者熱）激發(fā)，使其與當(dāng)前的半導(dǎo)體技術(shù)兼容。另一方面，在實際應(yīng)用中，通過施加?xùn)艠O電壓來實現(xiàn)磁振子邏輯運(yùn)算也十分重要。然而，目前在室溫下操縱磁振子流傳輸?shù)募夹g(shù)主要依賴于通過施加磁場來重新調(diào)整磁性序或調(diào)節(jié)磁疇結(jié)構(gòu)。
該研究將多鐵性材料與磁振子存儲器相結(jié)合進(jìn)行電路設(shè)計，利用多鐵性材料實現(xiàn)對磁振子力矩的非易失性調(diào)控，并提出了一種柵極電壓調(diào)控可重構(gòu)磁振子邏輯存儲器。該邏輯存儲器包括多個位于同一個電流通道上的鐵磁/多鐵性鐵酸鉍BiFeO3存儲單元。通過在電流通道中施加電流脈沖，可以在多鐵性材料中產(chǎn)生非相干磁振子流，并通過磁振子力矩將自旋信息并行地、非易失性地寫入多個存儲單元。通過原位施加?xùn)艠O電壓脈沖翻轉(zhuǎn)鐵電極化，實現(xiàn)了對磁振子自旋傳輸?shù)姆且资钥刂啤?/span>
研究團(tuán)隊進(jìn)一步提出并演示了一種基于多鐵性磁振子自旋力矩的可重構(gòu)邏輯存儲器。這賦予了該邏輯存儲器在不改變電路拓?fù)涞那闆r下，可以被重構(gòu)實現(xiàn)16種布爾代數(shù)運(yùn)算的能力。該器件減少了中間計算參數(shù)復(fù)制的必要性，顯著降低了內(nèi)存區(qū)域開銷和功耗，并消除了斷電后重新加載數(shù)據(jù)的需要。這些特點凸顯了多鐵性磁振子器件在低功耗存內(nèi)計算方面的潛力。
圖2 室溫下基于磁振子力矩的信息寫入
圖3 室溫下原位非易失性電壓調(diào)控磁振子力矩
圖4 基于多鐵性磁振子力矩的可重構(gòu)邏輯存儲器
該論文清華大學(xué)集成電路學(xué)院副教授南天翔、材料學(xué)院副教授易迪和教授林元華為通訊作者，清華大學(xué)集成電路學(xué)院博士后柴亞紅、博士后梁宇晗、2022級博士生肖燦誠為論文共同第一作者。其他重要合作者還包括清華大學(xué)集成電路學(xué)院教授吳華強(qiáng)、副教授唐建石，材料學(xué)院教授谷林、副教授馬靜，物理系教授于浦、副教授江萬軍，高等研究院博士后李博，中國科學(xué)院物理所副研究員張慶華等。
