隨著萬物智聯(lián)時代的到來，人工智能、智能汽車等新興應(yīng)用場景對存儲提出了更高的性能要求。我國當(dāng)前正在大力發(fā)展存儲產(chǎn)業(yè)，除了在傳統(tǒng)存儲器上努力實現(xiàn)追趕，也在提前布局新型存儲器，這將是未來存儲產(chǎn)業(yè)生態(tài)的重要部分。

“鐵電存儲器具有高速、低功耗、高可靠性的優(yōu)點，成為下一代非揮發(fā)性存儲器的有力競爭者之一。”在日前舉行的2021年北京地區(qū)廣受關(guān)注學(xué)術(shù)成果報告會(集成電路領(lǐng)域)上，中國科學(xué)院微電子研究所副研究員羅慶告訴科技日報記者，傳統(tǒng)的鐵電材料與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝兼容性和尺寸微縮難的問題一直制約著鐵電存儲器的發(fā)展，HfO2基鐵電材料的發(fā)現(xiàn)，開啟了鐵電存儲器研究的新時代。

鐵電存儲器升級迭代

“計算機(jī)的存儲架構(gòu)分成非常復(fù)雜的存儲層級，從緩存到內(nèi)存再到固態(tài)硬盤。”據(jù)羅慶介紹，在很長一段時間里，這樣的存儲體系是不會影響到整體運(yùn)行速度的，但是隨著CPU運(yùn)算速度的不斷提高，復(fù)雜存儲器層級導(dǎo)致數(shù)據(jù)不斷進(jìn)行搬運(yùn)，復(fù)雜的存儲層級其實已經(jīng)變成了制約整個系統(tǒng)性能提升的主要的限制因素。

在他看來，構(gòu)成復(fù)雜存儲層級的根本原因是當(dāng)前的主流存儲器依舊是傳統(tǒng)存儲模式——都是采取電荷存儲方式，這種機(jī)理就直接導(dǎo)致了速度和非易失是一個矛盾的關(guān)系。

鐵電存儲器的研究始于上個世紀(jì)50年代，鐵電材料則在上個世紀(jì)20年代就有已經(jīng)開始，90年代逐漸開始商用。如今，隨著工藝水平的提升，如何繼續(xù)微縮遭遇技術(shù)瓶頸。被稱為“第三代鐵電存儲材料”的鐵電HfO2讓這個事情找到了一個新的解決方案。

“新型存儲是未來存儲產(chǎn)業(yè)生態(tài)重要部分，鐵電存儲方式理論上可以打破傳統(tǒng)存儲模式的瓶頸。”羅慶表示，鐵電存儲原理不同于DRAM和Flash，它是通過不對稱的晶格結(jié)構(gòu)來存儲0和1的。HfO2基鐵電存儲器相比傳統(tǒng)鐵電存儲器具有顯著的工藝優(yōu)勢，“體型”更小，密度更高。

“HfO2基鐵電和傳統(tǒng)鐵電有著本質(zhì)區(qū)別，高兼容性促使存儲器密度可以做大。”羅慶進(jìn)一步解釋說，傳統(tǒng)鐵電存儲器只能做小規(guī)模嵌入式應(yīng)用，很大一個問題是緣于其非標(biāo)工藝。HfO2基鐵電幾乎完美的解決了傳統(tǒng)鐵電這些問題。

應(yīng)用爆發(fā)尚需時日

“鐵電存儲器的終端主要是小型IC卡、可穿戴的設(shè)備等。”羅慶坦言，HfO2基鐵電存儲器的商用還得等幾年。“作為小容量可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)終端、或者某個SoC芯片的嵌入式應(yīng)用，將在未來比較短的時間內(nèi)落地，但是要替代DRAM或者Flash等主流存儲器，還有很遠(yuǎn)的路要走。”

談及制約HfO2基鐵電器件應(yīng)用落地的主要障礙，羅慶總結(jié)，一方面缺乏來自企業(yè)的研發(fā)和投入，如果企業(yè)能夠加大投入，F(xiàn)RAM(鐵電隨機(jī)存儲器)小規(guī)模應(yīng)用指日可待;另一方面，F(xiàn)eFET(鐵電晶體管)的可靠性仍需優(yōu)化，這也是面向高密度應(yīng)用必須要解決的問題。

令羅慶焦急的是，“存儲到目前為止，還是依賴進(jìn)口。在新型存儲器科研領(lǐng)域，我們并不落后于國外，甚至在某些細(xì)分領(lǐng)域還處在領(lǐng)先地位。若想擁有自主產(chǎn)權(quán)，還需產(chǎn)業(yè)界加大投入，產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界協(xié)同配合，共同發(fā)力。”

對于團(tuán)隊今后的研究重點，羅慶表示，近兩年將致力于HfO2基鐵電的機(jī)理研究;并且加強(qiáng)與產(chǎn)業(yè)界的合作，實現(xiàn)FRAM存儲芯片的功能演示，希望能推動FRAM盡快走向應(yīng)用。

(朱麗)