新型材料有望大幅提升计算机存储芯片的性能

用于存储数据的“闪存”芯片，如今占据着每年700亿美元的市场。同时，闪存也面临着许多与限制其他计算机芯片改进相同的微型化瓶颈。但一种名为铁电体的材料有望使数据密度再次实现数量级的提升。铁电体还能以更快的速度读写数据，且功耗仅为传统闪存的几分之一。

韩国三星先进技术研究院Duk-Hyun Choe团队报告了一种大幅降低铁电闪存能耗的方法。近日，相关研究成果发表在《自然》。

铁电材料可以在较低电压下读取和写入数据，为堆叠1000层甚至更多层的存储单元铺平道路。然而，早期采用铁电材料氧化铪制成的原型器件存在所谓的“窄存储窗口”问题。这意味着写入数据的电压仅比读取数据所需的电压高出几伏特。因此，工程师无法进行精确的电压区分，也就无法在单个硅单元中写入和读取多个比特的数据。

研究人员发现一种大幅降低铁电闪存能耗的方法，即降低信息在垂直排列的存储单元之间传输所需的功率。Choe和他的同事们首先使用了一种带有电荷俘获功能的铁电存储单元。然后，他们用铟镓锌氧化物（一种只需极低电流即可转变为导体的半导体材料）取代了原有的硅导电通道。这种材料使他们的铁电器件的功耗比传统技术降低了96%，同时仍然保持了高达10.5伏特的存储窗口。“这是一项重大创新。”美国圣母大学的铁电存储器专家Kai Ni说道。

美国乔治亚理工学院的电气工程师Asif Khan表示，其他铁电技术方面的进展也正在迅速发展。他说，仅在过去两年，就出现了大约20种不同的芯片架构。前年，韩国科学技术院的研究人员报告称，有证据表明这种器件足够耐用，可以保存数据长达10年，能够投入实际应用。它还可以让机器人拥有更快的反应速度，因为它可以为机器人提供所需的板载内存，无需等待连接到云端。“因此，铁电闪存技术将至关重要。”Khan说。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1126/science.z08t8l5
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09793-3