从晶体管到忆阻器——彻底改变微电子行业!

2022-06-30 12:17:21 来源:EETOP
贝尔实验室于1947 年发明的晶体管开创了一个电子设备的时代,电子设备比体积庞大且易碎的真空管电子设备更小、运行更冷,耗电量远低于同类产品。晶体管用作二进制开关,以促进电流从关闭状态变为开启状态。收音机、计算器和电话是第一波用新的半导体技术取代真空管的仪器。随着技术规模越来越小,随后的几十年里,硅晶体管稳步集成到设备中,今天的计算机、手机、手表、起搏器和几乎所有类型的电子设备都依赖于它们进行高速处理和存储。
忆阻器是一种电子装置,它使用二维和三维矩阵配置或交叉开关阵列来模拟二进制开关,以根据电流电阻调节导电状态。KAUST材料科学与工程副教授 Mario Lanza 博士断言,与晶体管一样,忆阻器成为新的开关技术标准,在速度和操作效率上超越晶体管只是时间问题。
Lanza 是最近发表的一篇评论论文《用于数据存储、计算、加密和射频通信的忆阻技术》的主要作者,这是《Science》杂志对晶体管发现 75周年的报道的一部分。通过来自工业界和学术界的共同作者贡献的研究结果,该论文首次提供了全面的数据总结,支持跨材料和应用的忆阻器技术就绪水平。
忆阻器主要由四种不同的材料制成,可应用于四种应用,共有 16 种组合,本文涵盖了所有这些应用” Lanza 说。我们统计显示了忆阻器在这些不同配置中如何发挥作用的技术标准。您会看到什么有效,这非常令人兴奋。我们的调查结果汇编可能对该领域产生重要影响。

Lanza 预见,在未来,许多其他组合可能成为可能,因为由二维层状材料和钙钛矿制成的忆阻器正在迅速提高其性能,并且可能会设计出更多的应用。
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超越
目前的芯片技术在尺寸上已经达到了基本的量子力学极限。芯片晶体管不能小于原子间距离。由于按比例缩小不是一种选择,忆阻技术扩大了规模,整合了垂直的三维技术,涉及一个纳米大小的金属线矩阵,在每个结点都有一个绝缘的开关--忆阻器。施加电压脉冲会打破绝缘层,为电流流动创造一个路径。在去除电压的过程中,经过修改的材料结构就像一个导电的幽灵,或记忆体,当电压再次施加时,可以被逆转以恢复初始状态。
通过这种方式,忆阻器充当极性开关,可以在导电和非导电状态之间切换。Lanza表示,这种能力可用于集成序列中的许多不同功能。
"忆阻器就像一把瑞士军刀。它可以用来做很多事情。" Lanza说。这是一个有多种状态的开关,我可以调整,无论我想要 25个稳定或不稳定状态,还是十个或两个。可以对网格进行编程,以快速进行高级计算,在更小的空间和更多的应用程序中消耗更少的能量——否则这些计算将需要许多晶体管来完成相同的工作。
Lanza 所说的目前用于制造记忆体的四种非硅基材料是:金属氧化物,如二氧化铪;相变材料,即黄铜;磁性材料,即钴或铁;以及铁电材料,即钛酸钡。忆阻器的主要应用是存储、计算、通信和加密。根据使用的材料和应用的电阻,可以调整性能以满足不同技术的要求。
解决差距
忆阻器的 3D 集成允许在保持最小尺寸的情况下装入更多的器件,证明尺寸并不是卓越运营的圣杯。Lanza 说,这项技术已经在晶体管上完成,但它是忆阻器的新领域。尽管忆阻器的概念是在 20世纪70年代提出的,但该技术直到最近十年左右才引起关注,有了发展。
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忆阻器件,其中电阻可以调节到两个或多个非易失性水平,可以使用不同的材料制造,允许调整其性能以满足不同技术的要求

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忆阻式存储器已成为现实,在高级计算、安全系统和移动通信方面正在取得重要进展。
虽然已经可以在一些产品中找到忆阻器,如数据中心和手表,但 Lanza 表示,还有许多有前途的应用有待探索,而且业界正在密切跟踪该技术,以评估硅晶体管电子技术以外的未来商业用途。
他将论文发现的范围和细节归功于团队的跨学科性质。其中三名研究人员是来自工业界的科学家,六名来自学术界的科学家,包括Lanza。在工业界的三位作者中,一位来自台积电TSMC);其中两个来自IBM
市场预测到 2026 年将忆阻器增长到 56 亿美元——在近 2800 亿美元的内存市场中增长2%——他希望这篇论文能够激励公司投资新的忆阻器技术。
台积电企业研究部总监张梦凡博士表示:“这是第一篇对忆阻器的结构和应用进行广泛概述的文章彻底改变微电子行业。”
论文链接:http://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.abj9979


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