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人類社會正處於“大資料”時代，隨著資訊社會產生海量資料，儲存器、處理器甚至是計算機整體架構都在迎來革新。例如在目前的馮•諾依曼架構計算機中，儲存器和處理器是分開的，兩者透過匯流排相連。然而，傳輸速度限制了整體效率，即所謂的“馮•諾依曼瓶頸”。
馮•諾依曼瓶頸。圖片來源：Semiwiki [1]
幾十年來，科學家們一直尋找從大型資料中心到移動感測器及柔性電子器件等所有領域更快、更節能的儲存技術。1968年，美國科學家S. R. Ovshinsky發現了可逆相變的現象 [2]，經過多年發展，相變儲存器成為目前最有前途的資料儲存技術之一。目前相變材料主要由IV、V、IV主族元素組成，研究最廣泛的是鍺、銻和碲系列材料，儲存速度可達ns 量級，比傳統硬碟驅動器快數千倍，然而耗電量也相當大 [3]。
相變合金的三元相圖及它們在儲存器中的應用。圖片來源：Nat. Mater. [4]
近日，美國斯坦福大學Eric Pop課題組在Science 雜誌上發表論文，報道了一種具有超低開關電流密度的柔性相變儲存器件。他們將直接在柔性聚醯亞胺襯底上沉積了多層週期性重複排列的碲化銻和碲化鍺超晶格相變儲存材料，器件的開關電流密度僅為~0.1 MA/cm2，比柔性襯底或矽襯底上常規相變儲存器件低一到兩個數量級。這種柔性相變儲存器件能源效率高、功耗低，有望應用於低功耗裝置、可彎曲智慧手機、可穿戴感測器等電子產品中。
柔性相變儲存器件。圖片來源：Stanford University [5]
相變儲存器的一個基本挑戰是相對較高的開關電流和功率。研究者的解決方法是，在柔性聚醯亞胺襯底上交替沉積了12個週期的Sb2Te3（4 nm）和GeTe（1 nm）層，形成超晶格結構。柔性相變儲存器件在~0.2至0.25 mA的復位電流下切換，電阻比高達約100，復位電流密度僅為0.1 mA cm-2。比剛性矽襯底上的傳統相變儲存器低了約兩個數量級，比此前報道的柔性相變儲存器低了一個數量級以上。
超晶格柔性相變儲存器。圖片來源：Science
器件的峰值復位功率為~0.8 mW，復位電流隨著器件尺寸的改變而變化，顯示該技術具有規模化應用潛力，功率可透過減小器件直徑而進一步降低，目前器件尺寸受到了光刻技術的限制。另外，器件表現出低電阻漂移，這歸因於超晶格材料中存在類似的範德華空隙（上圖C），為材料在電流下的結構弛豫提供空間。
相變儲存器件功率測定及電阻漂移。圖片來源：Science
這種相變儲存器具有優異的迴圈穩定性和柔性，在4 mm彎曲半徑下測試了1000個迴圈週期和100個彎曲週期，器件電阻開關比均大於10，高電阻和低電阻狀態均保持低漂移。用幾微米厚的聚合物層封裝後，可以進一步減小器件的應變，提高穩定效能。
彎曲前後器件效能對比。圖片來源：Science
“人們早就期望相變儲存器能夠取代手機和膝上型電腦中現用的儲存器，沒有被採用的原因是，前者的功率需求更高”，Eric Pop說，“在我們的研究中，實現了既快速又節能的相變儲存” [5]。相變儲存器可以實現記憶體計算，從而彌合計算和記憶體之間的差距。這項研究成果將為打破“馮•諾依曼瓶頸”、研發新一代超快計算機鋪平道路。
Ultralow–switching current density multilevel phase-change memory on a flexible substrate
Asir Intisar Khan, Alwin Daus, Raisul Islam, Kathryn M. Neilson, Hye Ryoung Lee, H.-S. Philip Wong, Eric Pop
Science, 2021, 373, 1243-1247. DOI: 10.1126/science.abj1261
參考文獻：
[1] In-Memory Computing for Low-Power Neural Network Inference
https://semiwiki.com/semiconductor-manufacturers/tsmc/287672-in-memory-computing-for-low-power-neural-network-inference/
[2] S. R. Ovshinsky, Reversible electrical switching phenomena in disordered structures. Phys. Rev. Lett., 1968, 21, 1450.
[3] N. Yamada, et al. Rapid-phase transitions of GeTe-Sb2Te3 pseudobinary amorphous thin films for an optical disk memory. J. Appl. Phys., 1991, 69, 2849-2856.
[4] M.Wuttig, N. Yamada, Phase-change materials for rewriteable data storage. Nat. Mater., 2007, 6, 824-832. DOI: 10.1038/nmat2009
[5] Stanford discovery could pave the way to ultrafast, energy-efficient computing
https://energy.stanford.edu/news/stanford-discovery-could-pave-way-ultrafast-energy-efficient-computing
（本文由小希供稿）
