RRAM存储器工作机制研究：发现更节能的方法！

引言

几年前，斯坦福大学的工程师开发了RRAM存储器，它是一种依赖于温度和电压存储数据的半导体材料，比目前的存储技术更加快速和节能。但是，RRAM的工作机制一直是一个迷。现在，斯坦福大学的团队创造了一种新工具来研究芯片，发现了最佳温度范围低于预期，从而为更加高效的存储芯片的研发铺设了道路。

RRAM存储器工作机制一直是个迷

科学家经常会去探索一些有趣的事物，但是并不完全理解它们的工作机制。下面，我们要介绍的实验性的存储技术就是一个很好的例子。在这个存储技术中，温度和电压可以相互配合，为数据存储创造条件，但是工作机制尚未完全清楚。

研究人员在探索谜团时发现意外惊喜

但是，当斯坦福大学的团队寻找一条途径，理清芯片的能量和热量需求时，他们实验性的结果带来了一个惊喜：这个方法可能比之前猜测的更加节能。对于新一代的移动设备来说，这是个好消息。因为如果应用的是更节能的芯片，它们的电池工作时间会更长。

斯坦福大学电气工程师 H.-S. Philip Wong 是发明团队的领导者，他于12月5号，在洛杉矶召开的国际电子器件大会(IEDM)期间，发表了这篇论文。

RRAM技术简介

这项技术称为“电阻式随机存取存储器 ”，英文简称“RRAM”。RRAM 是基于一种新型半导体材料，通过允许或者拒绝电子流过，相应地代表数字“0”或者“1”。RRAM可以完成传统的硅材料无法完成的工作，例如：分层时位于新型三维（high-rise）芯片的晶体管的顶部。它是智能手机和其他移动电子设备的理想材料，因为节能对于这些产品来说很重要。

high-rise 三维芯片简介

(图片来源于：斯坦福大学)

对于传统的计算机芯片来说，它们一般是在二维平面上操作的，CPU和存储器之间通信是靠数据总线来进行。数据总线连接了存储器和逻辑单元，从存储器中获取数据，然后传送到逻辑单元处理，然而问题是数据线并没有其他组件的速度快，所以处理大量数据时候，会“拖慢”系统的其他部分。

所以，几年前斯坦福大学的研究人员Subhasish Mitra 教授 和 Philip Wong 教授领导的研究团队，开发了三维芯片，将存储器和逻辑单元像楼板一样，一层一层的交替放置，使用成千上万的垂直纳米级的连接进行通信。这样，缩短了数据传输的距离，让数据传输的更快，使用更少电量，从而有效的规避了之前的瓶颈问题。

(图片来源于：斯坦福大学)

这种三维芯片的原型具有“四层的”相互交替放置，两层存储器“像三明治一样夹在”两层逻辑单元之间。这样可以模拟所有的组合：内存~逻辑单元、内存~内存、逻辑单元~内存、逻辑单元~逻辑单元。

探究RRAM的工作方式

虽然工程师们可以观察到RRAM存储数据的情况，但是他们并不能准确地知道这些材料是如何工作的。Wong 说：“我们希望生产更加有可靠的设备，那么在这之前，对于RRAM的基本行为，我们就需要更加精确的信息。”

“震颤”的存储器

为了帮助工程师们去理解这些未知的机制，Wong的团队构建了一个工具，该工具可以测量RRAM芯片工作的基本力。

斯坦福大学的研究生 Zizhen Jiang 是如此解释原理的：RRAM材料是绝缘体，通常电流无法流过。但是在特定条件下，绝缘体可以会让电子流过。之前的研究已经显示：震动的RRAM材料具有一个电场，会形成一条通路让电子流过。这条通路称为“细丝”（filament）。为了打破“细丝”，研究人员使用了另外一种“震颤”，这种材料又会变回绝缘状态。所以，每次“震颤”使得RRAM 在“0”和“1”之间切换，从而使得这种材料可以应用于数据存储。

但是，电流并不是RRAM状态切换中的惟一因素。将电子注入到任何材料中会增加它的温度。电炉就是利用了这个原理。在RRAM的案例中，“细丝”的每次形成和打破的切换，都要引入电压，从而带来温度升高。所以，问题就是：为了实现切换，电压引入的温度需要多高？

在斯坦福大学这项新研究之前，研究人员认为短脉冲电压，足以产生1160华氏度的温度，这个温度足以融化铝，可能是切换点。但是，那些只是估算值，因为目前还没有测量震颤电击可以产生的热量。

团队的另外一名学生 Ziwen Wang 认为，“为了开始回答我们的问题，我们必须去除形成’丝’时电压和温度之间的耦合效应。”

分析温度需求

从根本上说，斯坦福大学的研究人员必须不使用电场加热RRAM材料。所以，他们将RRAM芯片放置在微型热阶段（MTS）的设备中，其实就是一种复杂的电热板，能够在材料内部产生很宽范围的温度。当然，这项任务不仅仅是加热材料，而且也能够测量“丝”如何形成的。他们利用了RRAM材料在自然状态下，可以成为绝缘体的特点，这样就是使得它们成为“0”。一旦，“丝”行成，电子就可以流过。那么数字“0”就会变成数字“1”，研究人员可以检测到这个变化。

团队使用这个实验模型，将RRAM芯片放置在燃烧器内加热，开始时的温度是80 F （温暖的室温温度），一直加热到1520度，足以融化银币。研究人员通过加热RRAM到不同的温度，可以精确的测量到RRAM的在“0”和“1”之间的切换状态。

让他们惊喜的是，研究人员观察到“丝”，在80 F 到260 F之间的温度时，更容易形成，这个温度比水的沸点要高，与之前期望的“温度越高越好”相反。

如果在后续的研究中可以得到证实，它将成为一个好消息，因为在正在工作的芯片中，切换温度将会由震颤电击时的电压创造。在较低温度时候，高效的切换需要更少的电流，也可以让RRAM更加节能，以延长使用存储器的移动电子设备的电池续航时间。

这项研究的意义和未来

为了让RRAM存储器走向实践，还有很多的工作要做。但是，这项研究为系统化地改变条件提供了一个测试平台，而不是依赖于“碰碰运气”的预感。

Wang 这么说：

“现在，我们以预测的方式，使用电压和温度作为设计输入，这将让我们设计更好的存储设备。”

斯坦福大学毕业生 Henry Chen，他在Wang 的实验室获取博士头衔，是这项研究最大助手，同时也是论文的合著者。Chen，现在和一家中国的内存芯片制造商兆易创新一起，希望开发概念和工具，让研究人员更好地进行进一步的研究。

参考资料

【1】http://news.stanford.edu/2016/12/05/new-memory-technology-more-efficient-previously-thought/

【2】https://engineering.stanford.edu/news/stanford-team-combines-logic-memory-build-high-rise-chip

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