手機(jī)、筆電，甚至AI服務(wù)器，能實(shí)現(xiàn)開機(jī)秒喚醒、幾乎零延遲，內(nèi)存和存儲不再分家——想實(shí)現(xiàn)這個夢想，不一定非要打破馮諾依曼存算分離的架構(gòu)，把內(nèi)存做得更優(yōu)、給未來計算機(jī)裝上“磁力記憶”，速度和穩(wěn)定性兼得，或許也能打造出超低功耗信息存儲元件。最新的科研結(jié)果又給業(yè)界一針“強(qiáng)心劑”。

01

最被看好的“候選者”

1996年，人們還在使用只有1.5MB不到的磁性軟盤；而現(xiàn)在我們用的NAND Flash不僅能越存越多，讀取速度也越來越快，怎能讓人不感慨？

不過NAND Flash也有瓶頸：隨著制程技術(shù)越來越先進(jìn)，硬盤的面積越來越小、容量提升越來越難。只能往3D的方向發(fā)展，不斷把存儲芯片堆高，從另一個維度提升內(nèi)存容量。

但其實(shí)還有另一種方法，比如改進(jìn)現(xiàn)有使用電荷的半導(dǎo)體操作方法，不再以電荷為先，而是把重心放在“磁”上。

最近，一支來自中國臺灣的研究團(tuán)隊(duì)在《Nature Electronics》上發(fā)表了新的研究結(jié)果。簡單來說，就是解決了SOT-MRAM（自旋軌道轉(zhuǎn)矩磁隨機(jī)存儲器）的結(jié)構(gòu)脆弱難題，讓這個超新存儲芯片能安安穩(wěn)穩(wěn)地度過400攝氏度的制造流程。

要想了解這個前沿技術(shù)，我們要先講講“老”技術(shù)。

都知道我們常用的手機(jī)、電腦都有三種存儲芯片，分別是快存快取的SRAM（靜態(tài)存儲器）、擔(dān)當(dāng)系統(tǒng)主內(nèi)存的DRAM（動態(tài)存儲器）以及負(fù)責(zé)長期存儲的Flash（非易失閃存），前面說的NAND Flash就是非易失閃存的一種。

但這三種都不是完美的技術(shù)，要么會斷電就丟失數(shù)據(jù)，要么存得比較慢，業(yè)界一直想把它們換掉。備選的有幾種，我們要講的是其中最被看好的“候選人”，也是最接近產(chǎn)業(yè)化的一種“MRAM”，即磁隨機(jī)存取存儲器。

02

給內(nèi)存加上“磁力”

我們上面說到的三種存儲器都是傳統(tǒng)“電荷型”記憶體，在制程進(jìn)入10nm（納米）后，都會出現(xiàn)發(fā)熱、可靠性下降等問題。

其中，SRAM的問題最大。它是利用晶體管的開關(guān)狀態(tài)來存儲數(shù)據(jù)，只要通電，數(shù)據(jù)就能一直保持，不需要“刷新”，所以是“靜態(tài)”的。目前最快的存儲技術(shù)都用在這塊，為的就是能夠跟上CPU的運(yùn)算速度。

SRAM每一個控制單元就像是需要通電才能維持的蹺蹺板；而在晶片上，這樣的小單元有數(shù)十億個，都需要電來同時撐住它們、保持平衡。這么一來，就會產(chǎn)生龐大的靜態(tài)功耗或者漏電流，整個芯片燙手得很。

而且每個存儲單元每個0和1都需要好幾個晶體管來“伺候”，導(dǎo)致成本高、密度低、功耗較大，這就帶來了“可微縮性挑戰(zhàn)”。

產(chǎn)業(yè)界這么多年遍尋各種替代方案，想徹底顛覆SRAM的制造難題，找來找去還是MRAM離產(chǎn)業(yè)更近。簡單來說，就是更強(qiáng)、更快還最接近商用化。

MRAM的“M”代表的是“磁（magnetic）”，與傳統(tǒng)的SRAM不同，MRAM不以電荷或電流存儲數(shù)據(jù)，而是由磁性隧道結(jié)（MTJ，Magnetic tunnel junction）的磁性存儲數(shù)據(jù)。它并不是新鮮概念，其實(shí)已經(jīng)有很久的歷史，現(xiàn)在主要攻克的都已經(jīng)是第三代MRAM。

第三代MRAM技術(shù)分為兩種，一種是通過施加電壓改變磁各向異性，使得磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)的“VCMA-MRAM（壓控磁各向異性MRAM）”；另一種就是開頭論文中提到的SOT-MRAM，通過在重金屬層中通入面內(nèi)電流使得磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

這么解釋還是有點(diǎn)抽象，我們可以換個方式理解。想象一下，每個存儲單元都有一個小磁鐵，磁鐵本身就代表一個比特，它固定在某個位置，可以朝上也可以朝下，這個磁鐵翻轉(zhuǎn)的方向就代表“0”和“1”。

這么一來，如果我們要存什么資料，只需要一通電就能產(chǎn)生自旋軌道力矩，也就是SOT（spin-orbit torque），進(jìn)而翻轉(zhuǎn)磁極向上或是向下。注意！就算這個時候斷電，磁極依然會保持之前的轉(zhuǎn)向，記錄信息更久這就是“非揮發(fā)”的特性表現(xiàn)。

不僅斷電不丟，還比傳統(tǒng)閃存寫入快得多的SOT-MRAM就成了最受矚目的下一代存儲技術(shù)，臺積電、三星、英特爾等芯片大廠幾乎都有押注。

03

建成“防火墻”

讓芯片穩(wěn)過400℃“火劫”

不過電流在SOT-MRAM上并不是直接穿過那個磁鐵結(jié)構(gòu)，直接“打它”；而是從它旁邊，穿過一條重金屬特殊層，讓這個流過的電流在旁邊產(chǎn)生一種橫向的自旋力矩，更像是在側(cè)面推它一把，從而推動磁化方向翻轉(zhuǎn)。

但是SOT-MRAM的核心材料β鎢卻特別容易在高溫下不穩(wěn)定。β鎢的自旋霍爾效應(yīng)很強(qiáng)，能用一點(diǎn)點(diǎn)電來反轉(zhuǎn)磁極，但它又很不穩(wěn)定，很有可能變成沒什么用的α鎢。

補(bǔ)充一點(diǎn)，鎢有兩種變型，α和β。在標(biāo)準(zhǔn)溫度和常壓下，α型是穩(wěn)定的體心立方結(jié)構(gòu)；β鎢只有在有氧存在的條件下才能出現(xiàn)。理論上，它在630攝氏度以下是穩(wěn)定的，在630攝氏度以上又轉(zhuǎn)化為α鎢，并且這一過程是不可逆的。

芯片制造流程中有一段叫“高溫烘烤”，雖然溫度只設(shè)置為400攝氏度，但需要連烤數(shù)小時，足以讓β鎢的原子獲得能量，到處亂跑直到“變型”。

那預(yù)防的方式就從材料入手唄。上文提到的最新研究成果就是把整片的β鎢切成多層的薄片，每層都塞入原子級的“鈷”，這個鈷金屬夾層就像“防火墻”，阻止β鎢的原子受到高溫影響。這么一來就讓脆弱的結(jié)構(gòu)變得穩(wěn)如磐石。

SOT-MRAM的商業(yè)化前提是β鎢的穩(wěn)定

經(jīng)過驗(yàn)證，帶有“鈷夾層”的SOT-MRAM芯片在400攝氏度的烤爐中，經(jīng)過10小時的烘烤流程，性能依然頂尖，這簡直為SOT-MRAM走出實(shí)驗(yàn)室埋下了重要一步。

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編輯｜張毅

主編｜黎坤

總編輯｜吳新

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壹零社：用圖文、視頻記錄科技互聯(lián)網(wǎng)新鮮事、電商生活、云計算、ICT領(lǐng)域、消費(fèi)電子，商業(yè)故事?！吨袊W(wǎng)》每周全文收錄；中國科技報刊100強(qiáng)；2021年微博百萬粉絲俱樂部成員；2022年抖音優(yōu)質(zhì)科技內(nèi)容創(chuàng)作者