IMEC 的研究人员披露了两种用于实现基于液体的存储器的提议方案。它们能否为未来的 NAND 闪存大容量存储提供替代品?

在对紧凑型电子设备的需求不断增长的推动下,半导体存储器市场出现了显着增长。对于 NAND 闪存来说尤其如此,因为大容量存储技术正在从硬盘驱动器 (HDD) 过渡到固态驱动器 (SSD)。对于现代处理器,内存高速移动大量数据的能力至关重要。没有这种能力,处理器就无法发挥其全部潜力。

在所有内存技术中,NAND 闪存是最常用的在线和近线存储技术,因为它提供最低的延迟和功耗。多年来,研究人员一直在不断提高 NAND 闪存存储解决方案的位密度。然而,预计 NAND 闪存的这种规模化将很快放缓。

NAND 闪存是当今 SDD 的领先技术,例如这款 Crucial P3 Gen3 NVMe SSD。

NAND 闪存是当今 SDD 的领先技术,例如这款 Crucial P3 Gen3 NVMe SSD。

随着 NAND 闪存的规模开始饱和,正在研究新的存储概念,包括相变存储器 ( PCM )、电阻 RAM ( ReRAM )、铁电 RAM ( FRAM )、磁性 RAM (MRAM)、自旋转移扭矩 MRAM ( STT MRAM ) 和碳纳米管存储器 (NRAM)。这些新技术可以在延迟和位密度方面替代和补充现有的存储解决方案。

IMEC 研究人员提供了一些替代方法,为超高密度近线存储应用提出了两种新的基于液体的存储概念。这些新的解决方案可以在几秒钟内为用户提供电子邮件、多媒体和其他大型文档等存档数据。IMEC是纳米和数字技术的研发中心。

NAND闪存的扩展挑战

在NAND闪存中,浮栅晶体管串联,只有当所有字线都为高时,位线才被拉低。所有这些存储单元都在字的交叉点处组织成二维或三维阵列。访问设备(通常是晶体管)将存储元件连接到读取和写入存储单元所需的导线。尽管有这些额外的晶体管,但地线和位线的减少允许更高的位密度和存储容量。

然而,每个存储元件使用一个存取设备的这种配置限制了位密度。在 HDD 中,较少的访问设备连接到相对较大的存储器阵列,与 NAND 闪存相比,允许更高的位密度和更低的每位成本。但由于机械连接的读取机制,它们速度较慢且功率效率较低。

通过考虑这两种技术的优势,可以找到制造超高密度存储器的新概念。

IMEC 的液体存储器

IMEC 研究人员提出了两种用于近线存储的新型液体存储器:胶体存储器和电石存储器。

胶体记忆由储存器内的两种或多种纳米粒子的胶体组成。储存器连接到毛细管,纳米颗粒被插入其中。信息以颗粒进入毛细血管的序列形式编码。纳米颗粒可以被位于每个毛细管入口处的电极选择性地撞击。 CMOS 电路控制电极阵列并单独寻址每个电极。

胶体记忆概念的插图。

胶体记忆概念的插图。

对于这个概念,研究人员将介电泳作为一种书写机制进行探索,其中电极上的交变电场对纳米颗粒施加力。力的性质(吸引或排斥)取决于纳米颗粒的类型和电场的频率。研究人员建议,可以通过应用不同的频率来创建选择性写入过程。

电石存储器概念图。

电石存储器概念图。

就像胶体记忆一样,电石记忆利用流体储存器和毛细管阵列。在这里,金属离子溶解在液体中。对于这个概念,有几种方法可以对信息进行编码。研究人员报告说,一种可能性可能是 1 nm 的金属离子可以用于编码 0,而 2 nm 的离子可以是二进制 1。

IMEC 研究人员制造了一种电石存储器,该存储器具有 80-150 nm 直径和 300 nm 深度的平行纳米井作为阵列。他们使用毫米和微米大小的电极成功地展示了存储器的读写能力。

电石存储器的概念证明。 这显示了具有毫米到微米范围内不同尺寸电极的微电极阵列。

电石存储器的概念证明。这显示了具有毫米到微米范围内不同尺寸电极的微电极阵列。

液体存储器的行业应用

新型液态记忆,尤其是胶体记忆,处于探索研究阶段。IMEC 研究人员目前正在对这一概念进行微调,并提供纳米级胶体存储器原理的第一个证明。

研究人员认为,这些技术的扩展努力可以使它们与 3D NAND 闪存相媲美。然而,为此,研究人员必须能够制造长宽比约为 400:1 和 165:1 的毛细管,分别用于胶体和电石存储器。此外,要成为可行的商业存储解决方案,该技术必须具有最佳的响应时间、带宽、读写耐久性、能耗和生命周期。IMEC 研究人员正计划在进一步研究中进行这些评估。

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