ナノ構造が相変化メモリに利益をもたらす

米国と台湾の技術者らは、不揮発性メモリに関する有望な新たなひねりを実証したと述べている。このメモリは、エネルギーに関しては十分に小さく、十分に低い電圧で動作するため、将来のプロセッサの能力を向上させる可能性がある。

このデバイスは相変化メモリの一種で、情報を抵抗の形で保持し、自身の結晶構造を溶かして再形成することでその抵抗を変化させるメモリの一種です。 先週報告された研究によると、ナノコンポジット超格子と呼ばれる問題の結晶は、ビットを書き込むのに必要な電力量の桁違いの改善につながるという。 ネイチャーコミュニケーションズ。 技術者らは、この形式の相変化メモリ（PCRAM）は、メモリとプロセッサ間で移動するデータを少なくすることで機械学習のエネルギーを節約する、将来のコンピューティング・イン・メモリ方式で特に役立つだろうと述べている。

「これほど低いスイッチングにより、ロジックとメモリの統合が可能になります。」 —アシール・インティサー・カーン、スタンフォード

PCRAM はすでに商品化されていますが、市場の大きな部分ではありません。 これは中間のテクノロジーとして考えられています。フラッシュ メモリと同様に不揮発性ですが、より高速です。 ただし、揮発性であるコンピュータのメインメモリである DRAM よりも遅いです。 ただし、個々の相変化デバイスは、他のいずれかの個々のデバイスよりも多くのデータを保存できる可能性があります。

PCRAM を妨げる問題の中には、状態を切り替えるのに多すぎる電流が必要であることが挙げられます。 しかし、これを修正する取り組みには、抵抗値の変動などのトレードオフが伴いました。 以前の研究では、スタンフォード大学を拠点とするチームが電流の低減と抵抗の安定化の両方に成功しました。 彼らの答えは、2 つの異なる結晶材料のナノメートルスケールの層を繰り返す、超格子と呼ばれる構造でした。 このような構造では、層間の原子スケールのギャップにより熱の流れが制限されるため、構造を加熱して相を変化させるために必要な電流が少なくなります。

しかし、これらの初期の超格子デバイスはスイッチングするには遅すぎ、またロジック チップで使用するには大きすぎて、直径が約 600 ナノメートルでした。 また、エネルギー効率の向上は示されたものの、デバイスの動作電圧はCMOSロジックで駆動するには高すぎた、とスタンフォード大学博士研究員アシール・インティサー・カーン氏は言う。 研究チームは、超格子のコンセプトがCMOS ICで使用するためのサイズやその他の要件にまで縮小された場合に機能するかどうか、また、それがPCRAMの改善に通常要求されるような難しいトレードオフを意味するかどうかを確認したいと考えていました。

目標は、幅わずか数十ナノメートルの、高速スイッチング、低電圧、低電力のデバイスでした。 「これを 40 ナノメートルまでスケールダウンする必要がありましたが、同時にこれらすべてのさまざまなコンポーネントを最適化する必要がありました」とカーン氏は言います。 「そうでなければ、業界は真剣に受け止めないだろう。」

そこに到達するには、格子用の新しい材料である GST467 が必要でした。GST467 は、ゲルマニウム、アンチモン、テルルの比率が 4:6:7 である化合物です。 GST467 はメリーランド大学の研究者によって発見され、その後超格子 PCRAM で使用するためにスタンフォード大学および TSMC の研究者と協力しました。 この新しい材料はナノメートルスケールの結晶ファセットを持っているため、ナノ複合材料と考えられています。 「これらは結晶化のテンプレートとして機能します」とスタンフォード大学エリック・ポップ研究室の博士研究員であるシャンジン・ウー氏は説明する。 これらのテンプレートにより、新しいビットが書き込まれるときにデバイスがその結晶構造を回復しやすくなります。

GST467 層とテルル化アンチモン層が交互に配置された超格子を備えています。 Khan、Wu、および彼らのチームは、0.7 ボルトで動作し、約 40 ナノ秒でスイッチングし、消費電力が 1.5 ピコジュール未満である 40 ナノメートルのデバイスを実現しました。 さらに、抵抗ドリフトの程度は低く、約 2 億回のスイッチング サイクルに耐え、デバイスごとのマルチビット ストレージやアナログ機械学習回路での使用のために、データを 8 つの異なる抵抗状態として保存できました。

「これほど低いスイッチングにより、ロジックとメモリの統合が可能になります」とカーン氏は言います。 メモリセルは、現在のようなI/O用の大型デバイスの代わりに、通常のロジックトランジスタを使用して制御できます。

カーン氏は、研究者らは高温でのデバイスの耐久性をさらに向上させることに加えて、新しいPCRAMをロジックチップに統合することでどのようなシステムレベルの利点がもたらされるかを調査するつもりだと述べた。 特に、今日の一部の先進的な CPU や GPU で行われているように、すでに構築されたシリコン IC を慎重に接続したスタックからではなく、ボトムアップで構築される実験用 3D チップで役立つ可能性があります。 新しい PCRAM は、デバイスの形成にその下の層にダメージを与えるような高温を必要としないため、シリコンやその他の層の上に統合するのに適している可能性があります。