功耗降至“万分之一”…下一代闪存研发成功

Published 18 Jan.2023 11:54(KST)

KAIST研究团队

[亚洲经济金奉洙记者] 韩国国内研究团队首次在全球范围内开发出一款耗电量仅为现有闪存万分之一的闪存存储器。

韩国科学技术院（KAIST）18日表示，电气与电子工程系教授 Jeon Sanghun 研究团队利用“负电容效应（Negative Capacitance Effect，NC效应）”，世界首次开发出突破传统闪存物理性能极限的负电容闪存（NC-Flash Memory）。

利用高性能低功耗、基于负电容闪存的内存计算实现类脑系统的示意图。图片由KAIST提供

所谓负电容效应，是指施加电压增加时，电荷量反而减少的现象。使用具有负电容特性的介电材料时，可以在内部放大施加到晶体管上的电压，从而使用相对较低的工作电压，进而降低功耗。

在现代电子器件中，电容器（Capacitor）是极其重要的组成元件之一。随着电子器件的小型化和垂直方向堆叠，电容器中存储的电荷量（Charge，Q）不断减少，因此迫切需要具有高电容值（Capacitance，C）的介电材料。如果利用与普通电容器不同、具有负电容值（Negative Capacitance）的电容器，就有可能反而提升多层电容器的整体电容值，从而解决开发适用于下一代器件的高电容元件这一难题，这一假设已经被提出。

近期，由于数据量爆炸式增长，以及市场对更大容量固态硬盘（SSD）和更快访问时间的需求，存储器供应商之间的技术竞争日益激烈。作为存储的核心技术，3D NAND闪存持续要求能够实现更高层数的堆叠，预计到2028年将需要实现1000层以上的存储堆叠。

与此同时，在铁电材料中观察到的“负电容效应（NC效应）”被认为可以在内部放大施加到电子器件上的外部电压，从而降低功耗，因此被寄予突破电子器件物理性能极限的期望。近年来，虽然在钙钛矿铁电材料中已从实验上观测到NC效应，但由于钙钛矿铁电材料在小型化方面存在局限，且与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺不相容，利用NC效应实现电子器件的设想一度引发相当多的质疑。

研究团队为克服传统闪存的物理性能极限并降低工作电压，采用半导体工艺中使用的氧化铪（HfO2）铁电薄膜，通过稳定其NC效应，世界首次开发出能够在低电压下驱动的铁电材料NC闪存。与现有闪存相比，所开发的NC闪存在功耗方面降低了1万倍以上，兼具低功耗与高性能特性。

不仅如此，研究团队还基于NC闪存实现了用以取代传统冯·诺依曼架构的新型“存内计算”（In-Memory Computing），达成了世界顶尖水平的能效表现。

研究团队表示：“该成果将在满足对高速存储有需求的最新计算与网络领域中，成为开发下一代NAND闪存的核心技术。”