用镊子夹住的柔性相变存储衬底(左)，对角线顺序显示了正在弯曲的衬底。功劳:Crystal Nattoo科学家们花了几十年的时间，为从大型数据中心到移动传感器和其他柔性电子设备的所有设备寻找更快、更节能的存储技术。相变存储器是最先进的数据存储技术之一，它比传统硬盘快几千倍，但耗电量大。现在，斯坦福大学的工程师已经克服了限制相变存储器广泛应用的一个关键障碍。研究结果发表在9月10日的《科学》杂志上。
该研究的资深作者、电子工程教授埃里克·波普(Eric Pop)说:“人们早就期望相变存储器能取代我们手机和笔记本电脑中的大部分内存。“它没有被采用的一个原因是，它需要比竞争内存技术更大的功率来运行。在我们的研究中，我们已经表明相变存储器既快速又节能。”
电阻
与用晶体管和其他硬件构建的传统存储芯片不同，典型的相变存储器件由三种化学元素的化合物组成——锗、锑和碲(GST)——夹在两个金属电极之间。
传统设备，如闪存驱动器，通过开关电子流来存储数据，这一过程用1和0来表示。在相变存储器中，1和0代表GST材料电阻的测量值——它对电流的阻力有多大。
“典型的相变存储器件可以存储两种电阻状态:高电阻状态0和低电阻状态1，”该研究的共同首席作者、博士生阿西尔·因蒂萨尔·汗(Asir Intisar Khan)说。“我们可以利用电极产生的电脉冲产生的热量，在纳秒内从1切换到0，然后再切换回来。”
加热到大约300华氏度(150摄氏度)会使谷胱甘肽硫转移酶化合物变成低电阻的结晶状态。在大约1100华氏度(600摄氏度)时，晶体原子变得无序，一部分化合物变成电阻高得多的非晶态。非晶态和晶态之间电阻的巨大差异被用来编程存储和存储数据。
“这种大的电阻变化是可逆的，可以通过打开和关闭电脉冲来感应，”汗说。
“你可以在几年后回来，通过读取每一位的电阻来读取记忆，”波普说。“此外，一旦设置了内存，它就不会使用任何电源，类似于闪存驱动器。”
斯坦福大学的工程师开发了一种超快且节能的柔性相变存储芯片。功劳:阿西尔·因蒂萨尔·汗“秘密酱”
但在不同状态之间切换通常需要大量电力，这可能会缩短移动电子设备的电池寿命。
为了应对这一挑战，斯坦福团队着手设计一种相变存储单元，该单元可以低功耗工作，并可以嵌入柔性塑料基板上，通常用于可弯曲智能手机、可穿戴人体传感器和其他电池供电的移动电子设备。
“这些设备需要低成本和低能耗，系统才能高效工作，”合著者、博士后学者阿尔温·道斯(Alwin Daus)说。"但是许多柔性基板在390华氏度(200摄氏度)或更高的温度下会失去形状，甚至熔化."
在这项研究中，道斯和他的同事发现，低热导率的塑料衬底可以帮助减少存储单元中的电流，使其高效工作。
“我们的新器件在柔性衬底上将编程电流密度降低了10倍，在刚性硅上降低了100倍，”Pop说。“我们的秘密酱中加入了三种成分:由纳米尺寸的存储材料层组成的超晶格、孔隙单元(我们将超晶格层填充到其中的纳米尺寸的孔)和隔热的柔性衬底。它们共同显著提高了能源效率。”
超快、灵活的计算
在移动和灵活设备上安装快速、高能效内存的能力可能会带来一系列新技术，例如智能家居的实时传感器和生物医学监视器。
Daus说:“传感器对电池寿命有很高的限制，收集原始数据发送到云中非常耗能。“如果能在本地处理数据，这需要内存，对实现物联网会很有帮助。”
相变存储器也可能带来新一代超快计算。
“今天的计算机有独立的计算和内存芯片，”汗说。“他们在一个地方计算数据，然后存储在另一个地方。数据必须来回传输，这是非常低效的能源。”
相变存储器可以实现内存计算，从而弥合计算和内存之间的差距。内存计算需要一个具有多个电阻状态的相变设备，每个电阻状态都能够存储内存。
“典型的相变存储器有两种电阻状态，高和低，”汗说。“我们编程了四种稳定的电阻状态，而不仅仅是两种，这是实现灵活内存计算的重要第一步。”
相变存储器也可以用于大型数据中心，那里的数据存储约占电力消耗的15%。
“相变存储器最大的吸引力是速度，但电子产品的能效也很重要，”波普说。“这不仅仅是事后的想法。我们为制造低功耗电子产品和延长电池寿命所做的任何事情都将产生巨大影响。”
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