為了擴展微電子的能力邊界，以滿足人類日益增長的需求，需要能夠在極低和極高溫度下運行的新組件。在第一種情況下，可以連接經(jīng)典計算機和量子平臺。在第二種情況下，有一種方法可以在極深的地方工作，例如在高超音速和太空中，例如在火箭發(fā)動機控制系統(tǒng)中。這很重要。

近期，賓夕法尼亞大學的一組科學家在《自然電子學》雜志上發(fā)表了一篇文章，他們報告了鐵電非易失性存儲器（鐵二極管）原型的開發(fā)和創(chuàng)建，該原型能夠在高達600°C的溫度下連續(xù)工作60小時。


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(zhì)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(zhì)情況，以及無法用于設備的進一步研發(fā)。

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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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℃。

當然，實際上在2018年之前，存儲器的耐溫記錄已經(jīng)達到了200℃，因此研發(fā)200℃以上耐溫的存儲器才是科技前沿。

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(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)的范德華異質(zhì)結(jié)，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。這種新型的結(jié)構(gòu)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。


存儲器的創(chuàng)新在于材料

該新型存儲器屬于非易失性類型，意味著即使斷電，存儲的信息也能得以保存。與之形成對比的是，常規(guī)的硅基閃存產(chǎn)品在溫度攀升至200℃以上時便開始失效，從而引發(fā)設備錯誤及數(shù)據(jù)丟失。

創(chuàng)新之處在于，此存儲器采用了鐵電氮化鋁鈧(AIScN)作為核心材料。AIScN的獨特優(yōu)勢在于，它能夠在較高溫度下，即便沒有外加電場，依然能維持特定的電狀態(tài)，如開或關。此外，AIScN的晶體結(jié)構(gòu)賦予了其原子間更為穩(wěn)定和堅固的鍵合，這不僅增強了材料的耐熱性，也極大地提升了耐用度。

在最新的研究上，賓夕法尼亞大學團隊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(jié)構(gòu)組成，包括鎳和鉑電極以及一層45納米厚的AlScN。這種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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)。

從設計上看，這款存儲器構(gòu)建于金屬-絕緣體-金屬的基礎架構(gòu)上，配置了鎳和鉑作為電極，并嵌入了一層僅45納米厚的AISCN薄膜。這樣的結(jié)構(gòu)設計不僅使得存諸器能夠與針對極端溫度優(yōu)化的碳化硅邏輯器件無縫對接，還確保了它能與高性能計算系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)，尤其適合那些專為嚴酷環(huán)境定制的系統(tǒng)。


極端環(huán)境計算添新利器

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。

這款可在600℃高溫下持續(xù)工作60小時的存儲器。這一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，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。

研究人員表示，這款存儲器是一種非易失性設備，能在無電源狀態(tài)下長期保留存儲器上的信息。相較之下，傳統(tǒng)硅基閃存在溫度超過200℃時便開始失效，導致設備故障和信息丟失。此外，新存儲器是一種“內(nèi)存增強型計算”設備，很穩(wěn)定，能使內(nèi)存和處理元件更緊密地集成在一起，提高計算的速度、復雜性和效率。他們將繼續(xù)探索將新設備用于極端環(huán)境下運行的AI系統(tǒng)。

該項目由來自賓夕法尼亞大學的 Deep Jariwala 帶領，他表示：“從鉆探地球深部到探索太空，我們的高溫存儲設備可以帶來先進的計算，而其他電子設備和存儲設備則無法做到這一點。這不僅僅是改進設備，而是開辟了新的領域”。