8月22日，我?？蒲泄ぷ饔謧飨灿?。材料學(xué)院饒峰特聘教授與美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)馬恩教授、西安交通大學(xué)張偉教授合作，在面向高精度神經(jīng)元計(jì)算應(yīng)用的相變存儲(chǔ)材料與器件研究方面取得重要進(jìn)展。該成果以Phase-change heterostructure enables ultralow noise and drift for memory operation（超低噪聲與漂移的相變異質(zhì)結(jié)存儲(chǔ)器）為題于2019年8月22日由Science雜志以First Release形式發(fā)布。饒峰教授為本論文共同通訊作者，團(tuán)隊(duì)成員丁科元博士后為第一作者，深圳大學(xué)材料學(xué)院為本論文第一單位。
論文截圖
隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、超級(jí)計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展，要求傳統(tǒng)商用計(jì)算體系架構(gòu)更加低功耗、高效率、低成本。當(dāng)前傳統(tǒng)的馮諾依曼計(jì)算體系架構(gòu)采用二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)且數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)分離，約40%的能耗僅用于數(shù)據(jù)的往返搬運(yùn)而非計(jì)算或存儲(chǔ)。為此業(yè)界近年來(lái)致力于研發(fā)基于新型非易失性存儲(chǔ)技術(shù)的類(lèi)腦神經(jīng)元計(jì)算器件（Neuro-inspired computing devices），從而實(shí)現(xiàn)非馮諾依曼架構(gòu)的全新計(jì)算體系，實(shí)現(xiàn)存算一體以及模擬信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)整體計(jì)算性能、效率的數(shù)量級(jí)提升，以應(yīng)對(duì)后摩爾定律時(shí)代微納電子產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展需求。
相變隨機(jī)存儲(chǔ)器（Phase-change random-access memory，PCRAM）是最成熟的新型非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，2015-2018年間已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化：Intel量產(chǎn)128-512 GB傲騰Optane芯片已作為持久性存儲(chǔ)器（Persistent memory）替代閃存（NAND Flash）及部分內(nèi)存（DRAM）；近年來(lái)基于先進(jìn)的PCRAM技術(shù)研發(fā)神經(jīng)元計(jì)算器件已成為業(yè)界研發(fā)焦點(diǎn)。然而商用PCRAM器件在反復(fù)可逆相變操作過(guò)程中，Ge2Sb2Te5（GST）材料組分逐步偏析乃至出現(xiàn)較大孔洞，其非晶相具有本征的電阻值隨時(shí)間顯著漂移特性，且在結(jié)晶化時(shí)亦存在較大的隨機(jī)性，致使多數(shù)據(jù)態(tài)存儲(chǔ)操作時(shí)各態(tài)電阻值波動(dòng)較大，導(dǎo)致高密度存儲(chǔ)陣列的單元間與單元內(nèi)反復(fù)多次操作一致性、協(xié)同性低下，造成神經(jīng)元計(jì)算時(shí)噪聲頗高，嚴(yán)重制約了高精度、高效率神經(jīng)元計(jì)算器件的開(kāi)發(fā)。
相變異質(zhì)結(jié)PCH器件準(zhǔn)二維相變與抑制組分偏析，確保超低數(shù)據(jù)態(tài)電阻波動(dòng)。
聚焦此關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，饒峰、馬恩與張偉通力合作，提出了一種新式的相變異質(zhì)結(jié)(Phase-change heterostructure，PCH)設(shè)計(jì)，由多個(gè)交替堆疊的相變層與限制層構(gòu)成，并通過(guò)原位加熱且低速生長(zhǎng)的多層薄膜磁控濺射沉積技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量PCH薄膜的制備。該PCH可有效抑制玻璃態(tài)相變材料結(jié)構(gòu)弛豫以及反復(fù)可逆相變過(guò)程中的組分偏析，將PCRAM器件數(shù)據(jù)態(tài)的阻值波動(dòng)和漂移降低到前所未有的水平。該PCH基PCRAM器件在迭代RESET操作時(shí)可實(shí)現(xiàn)9個(gè)穩(wěn)定的多態(tài)存儲(chǔ)（各電阻態(tài)阻值漂移系數(shù)小于~0.005，遠(yuǎn)低于非晶GST器件的~0.11），并在累積SET操作時(shí)器件電導(dǎo)呈現(xiàn)高一致性（波動(dòng)小于9%，而GST器件波動(dòng)則超過(guò)40%）；這些優(yōu)越的性能適用于精準(zhǔn)矢量矩陣乘法計(jì)算（precise vector-matrix multiplication calculations）、快速時(shí)序相關(guān)探測(cè)（rapid temporal correlation detections）和其他要求高精度和高一致性的機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)（machine-learning tasks）。此外，相比GST基器件而言，PCH器件的操作速度快一個(gè)數(shù)量級(jí)（達(dá)亞10 ns級(jí)）、操作壽命提升三個(gè)數(shù)量級(jí)、操作功耗降低超過(guò)87%，亦為發(fā)展DRAM型高性能PCRAM器件提供了可行的解決方案。值得指出的是，PCH結(jié)構(gòu)所采用的多層膜制備技術(shù)并不會(huì)大幅增加芯片制造成本或需開(kāi)發(fā)額外復(fù)雜的工藝，可完美匹配現(xiàn)有PCRAM量產(chǎn)工藝，將有助于大力推進(jìn)基于先進(jìn)微電子技術(shù)的高性能神經(jīng)元感知芯片的開(kāi)發(fā)。
相變異質(zhì)結(jié)PCH器件超低數(shù)據(jù)態(tài)阻值漂移與高精度的迭代RESET和累積SET操作。
深大團(tuán)隊(duì)開(kāi)展該項(xiàng)工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目、廣東省重大科研基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、深圳市基礎(chǔ)研究科學(xué)布局項(xiàng)目的資助。
饒峰特聘教授為本論文共同通訊作者，團(tuán)隊(duì)成員丁科元博士后為第一作者，深圳大學(xué)材料學(xué)院為本論文第一單位。西安交大王疆靖博士、周宇星碩士，浙江大學(xué)田鶴教授為共同第一作者；合作者包括路璐博士（西安交大）、賈春林教授（西安交大、德國(guó)于利希研究中心）以及Riccardo Mazzarello教授（德國(guó)亞琛工大）；其他合作單位包括中科院上海微系統(tǒng)所、榆林學(xué)院。
本項(xiàng)工作是饒峰教授繼2017年11月Science發(fā)表變革傳統(tǒng)馮諾伊曼計(jì)算體系架構(gòu)的超高速緩存（SRAM）級(jí)鈧銻碲相變存儲(chǔ)材料與器件研究成果：Reducing the stochasticity of crystal nucleation to enable sub-nanosecond memory writing. Rao et al., Science 358, 1423–1427 (2017)，之后的又一重大進(jìn)展。2019年6月饒峰教授還應(yīng)邀在Science發(fā)表觀(guān)點(diǎn)論文：Catching structural transitions in liquids. Rao et al., Science 364, 1032–1033 (2019)，評(píng)述了相變存儲(chǔ)材料相變過(guò)程中的液-液轉(zhuǎn)變以及結(jié)晶動(dòng)力學(xué)大幅反差的結(jié)構(gòu)根源，并提出了下一步實(shí)驗(yàn)與計(jì)算的研究方向。
附【論文鏈接】https://science.sciencemag.org/content/early/2019/08/21/science.aay0291
（材料學(xué)院 供稿）
