從晶體管到憶阻器——徹底改變微電子行業(yè)！

貝爾實(shí)驗(yàn)室于1947 年發(fā)明的晶體管開創(chuàng)了一個(gè)電子設(shè)備的時(shí)代，電子設(shè)備比體積龐大且易碎的真空管電子設(shè)備更小、運(yùn)行更冷，耗電量遠(yuǎn)低于同類產(chǎn)品。晶體管用作二進(jìn)制開關(guān)，以促進(jìn)電流從關(guān)閉狀態(tài)變?yōu)殚_啟狀態(tài)。收音機(jī)、計(jì)算器和電話是第一波用新的半導(dǎo)體技術(shù)取代真空管的儀器。隨著技術(shù)規(guī)模越來越小，隨后的幾十年里，硅晶體管穩(wěn)步集成到設(shè)備中，今天的計(jì)算機(jī)、手機(jī)、手表、起搏器和幾乎所有類型的電子設(shè)備都依賴于它們進(jìn)行高速處理和存儲(chǔ)。

憶阻器是一種電子裝置，它使用二維和三維矩陣配置或交叉開關(guān)陣列來模擬二進(jìn)制開關(guān)，以根據(jù)電流電阻調(diào)節(jié)導(dǎo)電狀態(tài)。KAUST材料科學(xué)與工程副教授 Mario Lanza 博士斷言，與晶體管一樣，憶阻器成為新的開關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在速度和操作效率上超越晶體管只是時(shí)間問題。

Lanza 是最近發(fā)表的一篇評(píng)論論文《用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算、加密和射頻通信的憶阻技術(shù)》的主要作者，這是《Science》雜志對(duì)晶體管發(fā)現(xiàn) 75周年的報(bào)道的一部分。通過來自工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的共同作者貢獻(xiàn)的研究結(jié)果，該論文首次提供了全面的數(shù)據(jù)總結(jié)，支持跨材料和應(yīng)用的憶阻器技術(shù)就緒水平。

“憶阻器主要由四種不同的材料制成，可應(yīng)用于四種應(yīng)用，共有 16 種組合，本文涵蓋了所有這些應(yīng)用” Lanza 說。“我們統(tǒng)計(jì)顯示了憶阻器在這些不同配置中如何發(fā)揮作用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。您會(huì)看到什么有效，這非常令人興奮。我們的調(diào)查結(jié)果匯編可能對(duì)該領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。”

Lanza 預(yù)見，在未來，許多其他組合可能成為可能，因?yàn)橛啥S層狀材料和鈣鈦礦制成的憶阻器正在迅速提高其性能，并且可能會(huì)設(shè)計(jì)出更多的應(yīng)用。

超越
目前的芯片技術(shù)在尺寸上已經(jīng)達(dá)到了基本的量子力學(xué)極限。芯片晶體管不能小于原子間距離。由于按比例縮小不是一種選擇，憶阻技術(shù)擴(kuò)大了規(guī)模，整合了垂直的三維技術(shù)，涉及一個(gè)納米大小的金屬線矩陣，在每個(gè)結(jié)點(diǎn)都有一個(gè)絕緣的開關(guān)--憶阻器。施加電壓脈沖會(huì)打破絕緣層，為電流流動(dòng)創(chuàng)造一個(gè)路徑。在去除電壓的過程中，經(jīng)過修改的材料結(jié)構(gòu)就像一個(gè)導(dǎo)電的幽靈，或記憶體，當(dāng)電壓再次施加時(shí)，可以被逆轉(zhuǎn)以恢復(fù)初始狀態(tài)。

通過這種方式，憶阻器充當(dāng)極性開關(guān)，可以在導(dǎo)電和非導(dǎo)電狀態(tài)之間切換。Lanza表示，這種能力可用于集成序列中的許多不同功能。

"憶阻器就像一把瑞士軍刀。它可以用來做很多事情。" Lanza說。“這是一個(gè)有多種狀態(tài)的開關(guān)，我可以調(diào)整，無論我想要 25個(gè)穩(wěn)定或不穩(wěn)定狀態(tài)，還是十個(gè)或兩個(gè)?？梢詫?duì)網(wǎng)格進(jìn)行編程，以快速進(jìn)行高級(jí)計(jì)算，在更小的空間和更多的應(yīng)用程序中消耗更少的能量——否則這些計(jì)算將需要許多晶體管來完成相同的工作。”

Lanza 所說的目前用于制造記憶體的四種非硅基材料是：金屬氧化物，如二氧化鉿；相變材料，即黃銅；磁性材料，即鈷或鐵；以及鐵電材料，即鈦酸鋇。憶阻器的主要應(yīng)用是存儲(chǔ)、計(jì)算、通信和加密。根據(jù)使用的材料和應(yīng)用的電阻，可以調(diào)整性能以滿足不同技術(shù)的要求。

解決差距
憶阻器的 3D 集成允許在保持最小尺寸的情況下裝入更多的器件，證明尺寸并不是卓越運(yùn)營的圣杯。

Lanza 說，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在晶體管上完成，但它是憶阻器的新領(lǐng)域。盡管憶阻器的概念是在 20世紀(jì)70年代提出的，但該技術(shù)直到最近十年左右才引起關(guān)注，有了發(fā)展。

憶阻器件，其中電阻可以調(diào)節(jié)到兩個(gè)或多個(gè)非易失性水平，可以使用不同的材料制造，允許調(diào)整其性能以滿足不同技術(shù)的要求

憶阻式存儲(chǔ)器已成為現(xiàn)實(shí)，在高級(jí)計(jì)算、安全系統(tǒng)和移動(dòng)通信方面正在取得重要進(jìn)展。

雖然已經(jīng)可以在一些產(chǎn)品中找到憶阻器，如數(shù)據(jù)中心和手表，但 Lanza 表示，還有許多有前途的應(yīng)用有待探索，而且業(yè)界正在密切跟蹤該技術(shù)，以評(píng)估硅晶體管電子技術(shù)以外的未來商業(yè)用途。

他將論文發(fā)現(xiàn)的范圍和細(xì)節(jié)歸功于團(tuán)隊(duì)的跨學(xué)科性質(zhì)。其中三名研究人員是來自工業(yè)界的科學(xué)家，六名來自學(xué)術(shù)界的科學(xué)家，包括Lanza。在工業(yè)界的三位作者中，一位來自臺(tái)積電（TSMC）；其中兩個(gè)來自IBM。

市場預(yù)測到 2026 年將憶阻器增長到 56 億美元——在近 2800 億美元的內(nèi)存市場中增長2%——他希望這篇論文能夠激勵(lì)公司投資新的憶阻器技術(shù)。

臺(tái)積電企業(yè)研究部總監(jiān)張夢凡博士表示：“這是第一篇對(duì)憶阻器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用進(jìn)行廣泛概述的文章徹底改變微電子行業(yè)。”