研究人员揭开基于液体的大规模存储概念

在对紧凑型电子设备需求不断增长的推动下，半导体存储器市场出现了显著增长。随着大容量存储技术从硬盘驱动器（HDD）过渡到固态驱动器（SSD），NAND闪存尤其如此。对于现代处理器来说，内存以高速移动大量数据的能力至关重要。如果没有这种能力，处理器就无法充分发挥其潜力。

在所有存储器技术中，NAND闪存是最常用的在线和近线存储技术，因为它提供了最低的延迟和功耗。多年来，研究人员不断提高NAND闪存解决方案的比特密度。然而，NAND闪存的这种扩展预计很快就会放缓。

 

NAND闪存是当今SD的领先技术，例如这款至关重要的P3 Gen3 NVMe SSD。图片由美光公司提供

 

随着NAND闪存的规模开始饱和，人们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）、自旋转移力矩MRAM（STT MRAM）和碳纳米管存储器（NRAM）。这些新技术可以在延迟和比特密度方面取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闪速存储器中，浮置栅极晶体管串联连接，并且只有当所有字线都为高时，位线才被拉低。所有这些存储单元在单词的交叉点处被组织成二维或三维阵列。存取器件通常是晶体管，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，对于每个存储元件具有一个访问设备的这种配置限制了比特密度。在HDD中，较少的访问设备连接到相对较大的存储器阵列，从而允许比NAND闪存更高的比特密度和更低的每比特成本。但由于机械连接的读取机制，它们的速度较慢，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的液态存储器

IMEC的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。

胶体存储器由储层内的两种或多种类型的纳米颗粒的胶体组成。储液器连接到毛细管上，纳米颗粒被插入毛细管中。该信息以粒子进入毛细管的序列的形式进行编码。纳米颗粒可以被位于每个毛细管入口处的电极选择性地冲击。 CMOS电路控制电极阵列并单独寻址每个电极。

 

胶体记忆概念的说明。图片由提供IMEC公司

 

对于这一概念，研究人员探索了介电泳作为一种写入机制，即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作过程。

 

电石器时代记忆概念图。图片由提供IMEC公司

 

就像胶体记忆一样，电石记忆利用了一个储液器和一排毛细管。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，一种可能性是，1纳米的金属离子可以用来编码0，而2纳米的离子可以是二进制的1。

IMEC的研究人员用直径80-150纳米、深度300纳米的平行纳米阱作为阵列制造了电石存储器。他们成功地展示了使用毫米和微米大小电极的存储器的读写能力。

 

电石器时代记忆概念的证明。这显示了微电极阵列，电极尺寸在毫米到微米范围内。图片由IMEC提供

 

液态存储器的工业应用

新型液体存储器正处于探索性研究阶段，尤其是胶体存储器。IMEC的研究人员目前正在对这一概念进行微调，并首次在纳米尺度上证明胶体存储器的原理。

研究人员认为，扩大这些技术的规模可以使其与3D NAND闪存相媲美。然而，为此，研究人员必须能够为胶体记忆和电石记忆分别制造纵横比约为400:1和165:1的毛细管。此外，要成为一种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、读写持久性、能耗和生命周期。IMEC的研究人员正计划在进一步的研究中进行这些评估。