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復(fù)旦大學(xué)和清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)在存儲(chǔ)芯片上創(chuàng)下新突破

復(fù)旦團(tuán)隊(duì)研發(fā)超快閃存集成工藝,可實(shí)現(xiàn)20納秒超快編程、10年非易失;清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)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(chǔ)器。

近日,復(fù)旦大學(xué)和清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)在存儲(chǔ)芯片上創(chuàng)下新突破。復(fù)旦團(tuán)隊(duì)研發(fā)超快閃存集成工藝,可實(shí)現(xiàn)20納秒超快編程、10年非易失;清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)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(chǔ)器。6v7esmc

復(fù)旦團(tuán)隊(duì)研發(fā)超快閃存集成工藝,突破存儲(chǔ)速度極限6v7esmc

非易失性存儲(chǔ)器是指即使在存儲(chǔ)器芯片的電源被關(guān)閉時(shí),也可以保存數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器。常見的非易失性存儲(chǔ)器包括閃存(Flash Memory)、只讀存儲(chǔ)器(ROM),以及一些新技術(shù)如磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)、鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器(FeRAM)、相變存儲(chǔ)器(PCM)等。其中閃存是目前占主導(dǎo)地位的非易失性存儲(chǔ)器技術(shù),但在速度方面受到限制。6v7esmc

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(duì)《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(guó)際頂尖期刊《自然-電子學(xué)》(Nature Electronics)上,該團(tuán)隊(duì)報(bào)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(gè)閃存設(shè)備,產(chǎn)率超過98%。6v7esmc

復(fù)旦大學(xué)周鵬-劉春森團(tuán)隊(duì)從界面工程出發(fā),團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次驗(yàn)證了1kb超快閃存陣列集成驗(yàn)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?,?shí)現(xiàn)顛覆性的納秒級(jí)超快存儲(chǔ)閃存。然而,如何實(shí)現(xiàn)規(guī)模集成、走向?qū)嶋H應(yīng)用極具挑戰(zhàn)。6v7esmc

超快閃存集成工藝和統(tǒng)計(jì)性能6v7esmc

團(tuán)隊(duì)開發(fā)了超界面工程技術(shù),在規(guī)?;S閃存中實(shí)現(xiàn)了具備原子級(jí)平整度的異質(zhì)界面,結(jié)合原子級(jí)精度的表征技術(shù),驗(yàn)證集成工藝顯著優(yōu)于國(guó)際水平。通過嚴(yán)格的直流存儲(chǔ)窗口、交流脈沖存儲(chǔ)性能測(cè)試,證實(shí)了二維閃存在1Kb存儲(chǔ)規(guī)模中,納秒級(jí)非易失編程速度下良率高達(dá)98%,這一良率已高于國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖(International Technology Roadmap for Semiconductors)對(duì)閃存制造89.5%的良率要求。6v7esmc

同時(shí),研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了不依賴先進(jìn)光刻設(shè)備的自對(duì)準(zhǔn)工藝,結(jié)合原始創(chuàng)新的超快存儲(chǔ)疊層電場(chǎng)設(shè)計(jì)理論,成功實(shí)現(xiàn)了溝道長(zhǎng)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(jí)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(chǔ)性能。有望推動(dòng)超快顛覆性閃存技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。6v7esmc

據(jù)悉,復(fù)旦大學(xué)集成芯片與系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、基金委重要領(lǐng)軍人才計(jì)劃、上海市基礎(chǔ)特區(qū)計(jì)劃、上海市啟明星等項(xiàng)目的資助,以及教育部創(chuàng)新平臺(tái)的支持。6v7esmc

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6v7esmc

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(shí)現(xiàn)可重構(gòu)邏輯存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)可重構(gòu)邏輯存儲(chǔ)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。6v7esmc

圖1 多鐵性磁振子自旋力矩器件的工作原理6v7esmc

據(jù)悉,內(nèi)存計(jì)算利用能夠在同一設(shè)備內(nèi)同時(shí)執(zhí)行信息存儲(chǔ)和邏輯運(yùn)算的非易失性存儲(chǔ)器,有望在顯著降低能耗的同時(shí)增強(qiáng)人工智能傳輸,而該過程不可避免地會(huì)產(chǎn)生焦耳熱。6v7esmc

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(dòng),在作為信息載體處理和傳輸信息時(shí)不產(chǎn)生明顯的熱耗散,是開發(fā)低耗散自旋邏輯-存儲(chǔ)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(shí)際應(yīng)用中,通過施加?xùn)艠O電壓來實(shí)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(chǎng)來重新調(diào)整磁性序或調(diào)節(jié)磁疇結(jié)構(gòu)。6v7esmc

該研究將多鐵性材料與磁振子存儲(chǔ)器相結(jié)合進(jìn)行電路設(shè)計(jì),利用多鐵性材料實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǔ)器。該邏輯存儲(chǔ)器包括多個(gè)位于同一個(gè)電流通道上的鐵磁/多鐵性鐵酸鉍BiFeO3存儲(chǔ)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(gè)存儲(chǔ)單元。通過原位施加?xùn)艠O電壓脈沖翻轉(zhuǎn)鐵電極化,實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁振子自旋傳輸?shù)姆且资钥刂啤?span style="display:none">6v7esmc

研究團(tuán)隊(duì)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(chǔ)器。這賦予了該邏輯存儲(chǔ)器在不改變電路拓?fù)涞那闆r下,可以被重構(gòu)實(shí)現(xiàn)16種布爾代數(shù)運(yùn)算的能力。該器件減少了中間計(jì)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(diǎn)凸顯了多鐵性磁振子器件在低功耗存內(nèi)計(jì)算方面的潛力。6v7esmc

圖2 室溫下基于磁振子力矩的信息寫入6v7esmc

圖3 室溫下原位非易失性電壓調(diào)控磁振子力矩6v7esmc

圖4 基于多鐵性磁振子力矩的可重構(gòu)邏輯存儲(chǔ)器6v7esmc

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(jí)博士生肖燦誠(chéng)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(guó)科學(xué)院物理所副研究員張慶華等。 6v7esmc

責(zé)編:Echo
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