為了擴展微電子的能力邊界，以滿足人類日益增長的需求，需要能夠在極低和極高溫度下運行的新組件。在第一種情況下，可以連接經典計算機和量子平臺。在第二種情況下，有一種方法可以在極深的地方工作，例如在高超音速和太空中，例如在火箭發(fā)動機控制系統(tǒng)中。這很重要。

近期，賓夕法尼亞大學的一組科學家在《自然電子學》雜志上發(fā)表了一篇文章，他們報告了鐵電非易失性存儲器（鐵二極管）原型的開發(fā)和創(chuàng)建，該原型能夠在高達600°C的溫度下連續(xù)工作60小時。


耐高溫存儲器持續(xù)突破

耐高溫存儲器的研發(fā)對于極端環(huán)境下部署相關應用有重要的價值。比如，在隨鉆測井(LWD)方面，這是一種先進的測井技術，是地質導向鉆井系統(tǒng)的重要組成部分，它提供的信息是井眼軌道控制決策的重要依據。不過，這項應用的挑戰(zhàn)在于，由于勘測環(huán)境的高溫，很多數據無法存儲，也就無法獲取準確的地質情況，以及無法用于設備的進一步研發(fā)。

像隨鉆測井(LWD)這類型的應用，一般都要求存儲設備具備150℃的耐溫，不過我們都知道傳統(tǒng)存儲器一般耐溫范圍是-40℃到125℃。因此，150℃耐溫也是一個關鍵點。

2021年時，日本當時的初創(chuàng)企業(yè)Floadia(富提亞科技)就研發(fā)出了一種150℃高溫下數據可保存10年的每單元7個比特(7bpc)的閃存。這種存儲進行了結構和材料創(chuàng)新，據報道，Floadia在硅-氧化物-氮化物-氧化物-硅(SONOS)布局的基礎上，使用分布式電荷捕獲型結構，中間設置了一層氮化硅薄膜，可以牢牢捕獲電荷，另外使用了二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)材料，使得這種閃存的耐溫達到了150℃。

當然，實際上在2018年之前，存儲器的耐溫記錄已經達到了200℃，因此研發(fā)200℃以上耐溫的存儲器才是科技前沿。

2018年南京大學物理學院繆峰教授課題組與南京大學現代工程與應用科學學院王鵬教授、馬薩諸塞大學楊建華教授就將憶阻器的耐溫記錄提升到了340℃。在這個項目中，課題組利用二維層狀硫氧化鉬（MoS2-xOx）、石墨烯構成三明治結構的范德華異質結，實現了基于全二維材料的、可耐受超高溫和強應力的高魯棒性憶阻器。這種新型的結構和材料，可以讓憶阻器的擦寫速度小于100 ns ，可擦寫次數超過千萬次，并且在340℃高溫環(huán)境下可以穩(wěn)定地工作。


存儲器的創(chuàng)新在于材料

該新型存儲器屬于非易失性類型，意味著即使斷電，存儲的信息也能得以保存。與之形成對比的是，常規(guī)的硅基閃存產品在溫度攀升至200℃以上時便開始失效，從而引發(fā)設備錯誤及數據丟失。

創(chuàng)新之處在于，此存儲器采用了鐵電氮化鋁鈧(AIScN)作為核心材料。AIScN的獨特優(yōu)勢在于，它能夠在較高溫度下，即便沒有外加電場，依然能維持特定的電狀態(tài)，如開或關。此外，AIScN的晶體結構賦予了其原子間更為穩(wěn)定和堅固的鍵合，這不僅增強了材料的耐熱性，也極大地提升了耐用度。

在最新的研究上，賓夕法尼亞大學團隊用氮化鋁鈧突破了存儲器的耐溫記錄。該存儲設備由金屬—絕緣體—金屬結構組成，包括鎳和鉑電極以及一層45納米厚的AlScN。這種結構設計使該存儲器能與高溫碳化硅邏輯器件兼容，與專為極端溫度設計的高性能計算系統(tǒng)協(xié)同工作。據悉，在這個結構中，氮化鋁鈧帶來的好處是能夠在更高溫度下保持開和關等特定電狀態(tài)。

從設計上看，這款存儲器構建于金屬-絕緣體-金屬的基礎架構上，配置了鎳和鉑作為電極，并嵌入了一層僅45納米厚的AISCN薄膜。這樣的結構設計不僅使得存諸器能夠與針對極端溫度優(yōu)化的碳化硅邏輯器件無縫對接，還確保了它能與高性能計算系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)，尤其適合那些專為嚴酷環(huán)境定制的系統(tǒng)。


極端環(huán)境計算添新利器

對于一些嚴苛環(huán)境來說，部署人工智能系統(tǒng)的意義更為重大，因為這些環(huán)境是不允許人類到達的。不過，由于傳統(tǒng)存儲器在耐溫方面存在不足，導致很多項目無法成行。

這款可在600℃高溫下持續(xù)工作60小時的存儲器。這一耐受溫度是目前商用存儲設備的兩倍多，表明該存儲器具有極強的可靠性和穩(wěn)定性，有望在可導致電子或存儲設備故障的極端環(huán)境下大顯身手，也為在惡劣條件下進行密集計算的人工智能系統(tǒng)奠定了基礎。

研究人員表示，這款存儲器是一種非易失性設備，能在無電源狀態(tài)下長期保留存儲器上的信息。相較之下，傳統(tǒng)硅基閃存在溫度超過200℃時便開始失效，導致設備故障和信息丟失。此外，新存儲器是一種“內存增強型計算”設備，很穩(wěn)定，能使內存和處理元件更緊密地集成在一起，提高計算的速度、復雜性和效率。他們將繼續(xù)探索將新設備用于極端環(huán)境下運行的AI系統(tǒng)。

該項目由來自賓夕法尼亞大學的 Deep Jariwala 帶領，他表示：“從鉆探地球深部到探索太空，我們的高溫存儲設備可以帶來先進的計算，而其他電子設備和存儲設備則無法做到這一點。這不僅僅是改進設備，而是開辟了新的領域”。