電子發(fā)燒友網(wǎng)（文/吳子鵬）近日，美國賓夕法尼亞大學科學家研制出一款可在600℃高溫下持續(xù)工作60小時的存儲器。據(jù)悉，目前市場上主流的存儲器耐溫極限是200℃，一旦超過了200℃便開始失效，導致設備故障和信息丟失。因此，這種新型存儲的耐受溫度是目前商用存儲設備的兩倍多，表明該存儲器具有極強的可靠性和穩(wěn)定性。

這款新型存儲有望在可導致電子或存儲設備故障的極端環(huán)境下大顯身手，也為在惡劣條件下進行密集計算的人工智能系統(tǒng)奠定了基礎。相關論文發(fā)表于新一期《自然·電子學》雜志。

圖源：《自然·電子學》雜志

耐高溫存儲器持續(xù)突破

耐高溫存儲器的研發(fā)對于極端環(huán)境下部署相關應用有重要的價值。比如，在隨鉆測井(LWD)方面，這是一種先進的測井技術，是地質導向鉆井系統(tǒng)的重要組成部分，它提供的信息是井眼軌道控制決策的重要依據(jù)。不過，這項應用的挑戰(zhàn)在于，由于勘測環(huán)境的高溫，很多數(shù)據(jù)無法存儲，也就無法獲取準確的地質情況，以及無法用于設備的進一步研發(fā)。像這樣的場景有很多，比如工業(yè)制造中在高溫中運轉的設備，很多也無法獲取有價值的數(shù)據(jù)，瓶頸就在于存儲器。

像隨鉆測井(LWD)這類型的應用，一般都要求存儲設備具備150℃的耐溫，不過我們都知道傳統(tǒng)存儲器一般耐溫范圍是-40℃到125℃。因此，150℃耐溫也是一個關鍵點。2021年時，日本當時的初創(chuàng)企業(yè)Floadia(富提亞科技)就研發(fā)出了一種150℃高溫下數(shù)據(jù)可保存10年的每單元7個比特(7bpc)的閃存。

這種存儲進行了結構和材料創(chuàng)新，據(jù)報道，F(xiàn)loadia在硅-氧化物-氮化物-氧化物-硅(SONOS)布局的基礎上，使用分布式電荷捕獲型結構，中間設置了一層氮化硅薄膜，可以牢牢捕獲電荷，另外使用了二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)材料，使得這種閃存的耐溫達到了150℃。這種閃存可以維持超過10萬次編程擦寫循環(huán)，是一款準商業(yè)的產品。

當然，實際上在2018年之前，存儲器的耐溫記錄已經達到了200℃，因此研發(fā)200℃以上耐溫的存儲器才是科技前沿。根據(jù)國家自然科學基金委員會的消息，2018年南京大學物理學院繆峰教授課題組與南京大學現(xiàn)代工程與應用科學學院王鵬教授、馬薩諸塞大學楊建華教授就將憶阻器的耐溫記錄提升到了340℃。在這個項目中，課題組利用二維層狀硫氧化鉬（MoS2-xOx）、石墨烯構成三明治結構的范德華異質結，實現(xiàn)了基于全二維材料的、可耐受超高溫和強應力的高魯棒性憶阻器。

圖源：國家自然科學基金委員會

這種新型的結構和材料，可以讓憶阻器的擦寫速度小于100 ns ，可擦寫次數(shù)超過千萬次，并且在340℃高溫環(huán)境下可以穩(wěn)定地工作。這一論文結果也發(fā)布在《自然·電子學》雜志上。

新型存儲器使用鐵電氮化鋁鈧（AlScN）

材料創(chuàng)新是存儲器創(chuàng)新的關鍵一環(huán)，縱覽存儲器前沿的研究成果，都少不了材料創(chuàng)新的影子。在美國賓夕法尼亞大學科學家的項目中，該團隊使用了鐵電氮化鋁鈧（AlScN）。

該團隊創(chuàng)建了一種生長在4英寸硅片上的鎳/AlScN/鉑的金屬-絕緣體-金屬結構。實際上，來自賓夕法尼亞大學的Deep Jariwala、Roy H. Olsson III和美國空軍研究實驗室的Nicholas R. Glavin等人去年就在《自然納米技術》上發(fā)表了一些關于氮化鋁鈧的研究成果。

根據(jù)當時的論文，氮化鋁鈧的鐵電材料上層疊了稱為二硫化鉬（MoS2）的二維半導體，利用這種組合，賓夕法尼亞大學團隊研發(fā)出了一種非常薄的存儲器，每個存儲單元的面積都是行業(yè)最小的。

在最新的研究上，賓夕法尼亞大學團隊又用氮化鋁鈧突破了存儲器的耐溫記錄。該存儲設備由金屬—絕緣體—金屬結構組成，包括鎳和鉑電極以及一層45納米厚的AlScN。這種結構設計使該存儲器能與高溫碳化硅邏輯器件兼容，與專為極端溫度設計的高性能計算系統(tǒng)協(xié)同工作。據(jù)悉，在這個結構中，氮化鋁鈧帶來的好處是能夠在更高溫度下保持開和關等特定電狀態(tài)。

結語

對于一些嚴苛環(huán)境來說，部署人工智能系統(tǒng)的意義更為重大，因為這些環(huán)境是不允許人類到達的。不過，由于傳統(tǒng)存儲器在耐溫方面存在不足，導致很多項目無法成行。賓夕法尼亞大學團隊最新的研究成果將存儲器耐溫提高到了600℃，有助于將AI帶到更加嚴苛的環(huán)境中。