存储革新：下一代低功耗PCM相变存储器

news2025/2/24 17:17:02

引言

由于Optane（实质为PCM相变存储器）被intel放弃以后，小编一直在关注业内有关SCM存储级内存（PCM、ReRAM等）相关的研究进展。比如之前发布的内容，供存储随笔的读者参考！

字节跳动入局存储内存SCM
国产发力，长存入局｜相变存储器PCM是SCM的未来吗？

今天分享的这篇论文，为什么被小编关注到，原因有二：一是PCM相关的，二是居然是纳米线PCM，小编研究生期间也做过纳米线晶体管相关的研究，也算是半个同行～

话不多说，开启今天的话题分享～

近日，韩国科学技术院（KAIST）宣布，电气工程学院Shinhyun Choi教授领导的研究团队研发出下一代相变存储器设备，相关成果已发布在顶级期刊Nature上面，论文题目：“Phase-change memory via a phase-changeable self-confined nano-filament”.

我们先回顾下相变存储器（PCM）的原理：

PCM的核心是由一种特殊的相变材料构成的，这种材料有个特点，就是当温度达到一定高度时，它的晶体结构会发生变化，也就是相变。而这个相变过程是可以逆转的，所以利用这个特性，我们就可以储存和读取数据了。具体来说，就是通过加热让相变材料从晶体状态变成非晶体状态，或者从非晶体状态变成晶体状态，从而储存和读取数据。

PCM的优点呢，主要有以下几点。首先，它读写速度非常快，比传统的闪存快了好几倍。其次，它的能效非常高，因为它只消耗很少的能量来完成读写操作。再次，它的耐久性也非常好，可以承受大量的读写操作，这就意味着PCM的寿命很长。

尽管潜力巨大，PCM技术在复位过程中通常会遇到需要大电流的问题，即通过将相变材料熔化为非晶态。这种高电流需求对能效产生负面影响，给PCM在能源敏感应用中的广泛应用带来了挑战。研究人员试图通过缩小器件尺寸来解决这个问题，认为更小的器件需要的操作电流会更少。然而，这种方法的有效性已被证明有限，因为复位电流的减少往往微乎其微，而且由于需要使用先进且昂贵的微型化技术，制造成本显著增加。

论文中介绍了一种采用可相变SiTex纳米丝来有效降低PCM复位电流的新颖PCM器件。这种创新设计能够在不牺牲制造成本的前提下大幅度降低复位电流。具体而言，所开发的纳米丝PCM展现出约10 μA的超低复位电流，这比高度缩放的传统PCM低一个到两个数量级。

值得注意的是，该器件保留了关键的存储属性，包括：

大开/关比：确保了可靠的数据存储和检索所需的明显且可区分的状态。
快速速度：支持快速的写入和读取操作，有助于整体系统性能。
小波动：增强一致性与可预测性，从而提升数据完整性和可靠性。
多级存储属性：允许每个单元存储多个比特，提高了内存密度，可能降低了每比特的总体成本。

PCM技术的这一突破标志着我们在开启新的计算范式，尤其是那些可以从PCM独特特性中获益的应用方面迈出了重要一步。其中包括：

神经形态计算系统：模仿生物神经网络的结构和功能，神经形态系统在模式识别和机器学习等任务中有可能实现无与伦比的效率和适应性。纳米丝PCM的超低复位电流和高能效使其成为在这些系统中实现突触权重和其他存储组件的理想选择。
边缘处理器：在数据生成源头（如物联网设备、可穿戴技术）进行数据处理和分析的设备通常具有严格的功率和尺寸限制。纳米丝PCM的高效节能和紧凑特性非常适合这类应用，能在保持低功耗和小型化的同时增强功能。

总之，开发具有可相变SiTex纳米丝的PCM器件是应对传统PCM技术能效挑战的一项重大进展。这一创新为PCM在各种前沿计算领域以及对提高能效和性能高度重视的常规内存应用中的广泛采用铺平了道路。

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