史丹福大學革命性的通用記憶體:快速、超高效記憶體矩陣的曙光

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OctoVerse

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史丹福大學的研究人員開發了一種新的相變記憶體,可以幫助電腦更快、更高效地處理大量數據。

我們的任務是處理越來越多的數據,以加速藥物發現、改善天氣和氣候預測、訓練人工智慧等等。為了滿足這一需求,我們需要比以往任何時候都更快、更節能的電腦記憶體。

記憶體技術創新

史丹福大學的研究人員已經證明,一種新材料可以使相變記憶體(依賴於在高電阻和低電阻狀態之間切換以創建電腦數據的1和0)成為未來人工智慧和以數據為中心的系統的改進選擇。正如最近在《自然通訊》上詳述的那樣,他們的可擴展技術具有快速、低功耗、穩定、持久等特點,並且可以在與商業製造相容的溫度下製造。

“我們不僅僅是在單一指標上有所改進,例如耐力或速度;我們正在同時改進幾個指標,“史丹福大學材料科學與工程教授、Pease-Ye電氣工程教授Eric Pop說。“這是我們在這個領域建立的最現實、對行業最友好的東西。我想把它看作是邁向普遍記憶的一步。

相變記憶體件在高電阻和低電阻狀態下的橫截面。底部電極的直徑為~40納米。箭頭標記了一些范德華(vdW)介面,這些介面在超晶格材料的層之間形成。超晶格在高電阻態和低電阻態之間被破壞和重整。圖片來源:由 Pop Lab 提供

提高計算效率

當今的電腦在不同的位置存儲和處理數據。易失性記憶體(速度很快,但在電腦關閉時會消失)處理處理,而非易失性記憶體(速度不快,但可以在沒有恆定功率輸入的情況下保存資訊)負責長期數據存儲。在這兩個位置之間移動資訊可能會導致處理器在等待檢索大量數據時出現瓶頸。

“來回傳輸數據需要大量的能量,尤其是在當今的計算工作負載下,”該論文的共同主要作者Xiangjin Wu說,他是Pop和Philip Wong共同指導的博士生,Willard R.和Inez Kerr Bell教授在工程學院。“有了這種類型的記憶體,我們真的希望將記憶體和處理更緊密地結合在一起,最終整合到一個設備中,這樣它就會消耗更少的能源和時間。

要實現一種有效的、商業上可行的通用記憶體,既能長期存儲,又能實現快速、低功耗的處理,同時又不犧牲其他指標,存在許多技術障礙,但Pop實驗室開發的新型相變記憶體與迄今為止任何人使用這項技術所取得的成就一樣接近。研究人員希望它能激發進一步的開發和採用,成為一種通用記憶。

GST467合金的承諾

該記憶體依賴於GST467,這是一種由四份鍺,六份銻和七份碲組成的合金,由馬里蘭大學的合作者開發。Pop和他的同事們找到了將合金夾在超晶格中其他幾種納米薄材料之間的方法,這種層狀結構他們以前曾用於獲得良好的非易失性記憶體結果。

“GST467的獨特成分使其具有特別快的切換速度,”Asir Intisar Khan說,他在Pop實驗室獲得了博士學位,並且是該論文的共同主要作者。“將其集成到納米級器件的超晶格結構中可實現低開關能量,為我們提供良好的耐久性、非常好的穩定性,並使其非易失性——它可以保持其狀態 10 年或更長時間。”

設置新標準

GST467超晶格清除了幾個重要的基準。相變記憶體有時會隨著時間的推移而漂移——基本上 1 和 0 的值會慢慢移動——但他們的測試表明,這種記憶體非常穩定。它還在低於 1 伏的電壓下運行,這是低功耗技術的目標,並且比典型的固態驅動器快得多。

“其他一些類型的非易失性記憶體可能更快一些,但它們在更高的電壓或更高的功率下運行,”Pop說。“對於所有這些計算技術,速度和能量之間存在權衡。事實上,我們在幾十納秒內切換,同時在低於一伏的電壓下運行,這是一件大事。

超晶格還將大量存儲單元打包到一個小空間中。研究人員已將記憶細胞的直徑縮小到40奈米,不到冠狀病毒的一半。這並不像它可能的那樣密集,但研究人員正在探索通過將記憶體堆疊在垂直層中來補償的方法,這要歸功於超晶格的低製造溫度和用於創建它的技術。

“製造溫度遠低於您需要的溫度,”Pop 說。“人們正在談論將記憶體堆疊成數千層以增加密度。這種類型的記憶體可以實現這種未來的3D分層。

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