研究團隊突破記憶晶片耐用性，達成超過 100 億次寫入循環

一組研究人員找到了一種方法，顯著提高一類新興記憶晶片的耐用性。這項進展有望消除高性能計算中技術應用的主要障礙。此時，人工智能的繁榮推動了對更快、更可靠半導體的需求。該團隊在材料中展示了超過 100 億次的寫入循環，這是之前相同技術所達到的耐用性約 100 倍。這項研究由西電大學的科學家主導，並與香港城市大學及復旦大學合作，週四發表於《科學》期刊。

新材料的潛力與挑戰

隨著新一代記憶材料的興起，像氮化鋁鋆（AlScN）這類的菱面體鐵電材料越來越受到關注。其吸引力來自於快速的切換速度和潛在的低能耗。該材料還與現有的半導體製造工藝相容，這一實際優勢可能會簡化其進入未來記憶裝置的過程。然而，這一承諾遇到了一個持續的障礙。現有的 AlScN 裝置通常在約 1 億次寫入循環後失效，遠低於商業使用所需的數十億次。

研究人員追蹤到，快速失效的主要原因是氮空位，即材料結構中缺少氮原子的地方。西電大學的博士研究生王瑞卿（Wang Ruiqing）提供了一個簡單的比喻來描述這個問題。她表示，可以將鐵電材料想像成整齊種植的玉米田，而氮空位則代表缺少幼苗的地方。

實際問題不僅在於存在多少空位，而在於當材料開始進行重複切換時，這些空位的行為。氮空位可能隨著時間的推移而移動並聚集在一起，最終形成讓電流通過材料的通道，導致失效。王瑞卿表示，早期的研究者可以觀察到裝置失效，甚至記錄一些結果症狀。然而，沒有人解釋過在原子尺度上實際上發生了什麼，如何移動，以及這種運動如何最終導致故障。

解決氮空位問題的創新

該團隊通過設計一種分層結構，專門限制氮空位的移動範圍，來解決這個問題。通過限制它們的運動並防止它們聚集在一起，研究人員顯著減緩了材料的劣化，使其在測試中能夠承受超過 100 億次的寫入循環。

儘管如此，這些發現目前仍處於實驗室階段。它們指向了一條可行的道路，用於利用這類材料構建更密集、更低功耗的記憶晶片。隨著全球對更快、更可靠半導體的需求不斷上升，這一進展來得正是時候，因為更廣泛的人工智能繁榮也在推動這一需求的增加。這一需求使得使菱面體鐵電材料在實際日常計算硬件中足夠耐用的努力變得更加迫切。

新記憶晶片技術的潛在影響

隨著人工智能的快速發展，對高性能半導體的需求日益增加。研究團隊的突破不僅提升了記憶晶片的耐用性，還為未來的計算硬件提供了新的可能性。氮化鋁鋆等新材料的應用，若能克服耐用性問題，將可能改變記憶裝置的設計與性能，促進更高效能的計算平台出現。這一進展不僅有助於提升技術應用的可行性，還能推動整個半導體行業的創新與發展。