相变存储器的研究进展

第49卷第12期人工晶体学报Vol.49No.12 2020年12月JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS December,2020相变存储器及其用于神经形态计算的研究综述杜玲玲，周细应，李晓(上海工程技术大学材料工程学院，上海201620)摘要：目前随着人工智能领域的兴起以及人们对数据存储和计算的强烈需求，迫切需要存储器的改进和类似于人脑的高效存储运算效率。

所以，相变存储器及其用于神经形态计算的研究是极具价值的。

相变存储材料(PCMs)受到激发时所产生的电阻值变化可以用来建立尖峰神经网络从而实现模拟神经形态计算系统。

本文介绍了相变存储器物理机制，其中包括相变材料的相变原理及主要性能特征，重点叙述了相变存储器在优化存储与计算方向的研究进展和应用,进而为该领域未来的发展方向提供参考。

关键词:相变存储器;相变材料;神经形态计算系统;相变突触/神经元中图分类号:TP333文献标识码:A文章编号：1000-985X(2020)12-239848Review of Phase Change Memory and Its Application inNeuromorphic ComputationDU Lingling,ZHOU Xiying,LI Xiao(School of Material Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai201620,China)Abstract：With the rise of artificial intelligence and the explosive demand for data storage and computing,the improvement of memory and the efficient storage and computing efficiency similar to that of human brain are urgently needed.Therefore，it is necessary to study phase change memory and its application in neuromorphic computation.The change of resistance caused by the excitation of phase change materials( PCMs)can be used to build the spike neural network and realize the simulation of neural morphological computing system.This paper introduces the physical mechanism of phase change memory，including the phase change principle and main performance characteristics of phase change materials，and focuses on the research progress and application of phase change memory，so as to provide reference for the future development direction of this field.Key words:phase change memory；phase change material；neuromorphic computing system；phase change synapse/neuron0引言信息时代,人们对数据存储和计算的需求日益增长。

相变存储器及其应用研究进展一、引言随着信息技术的快速发展，存储器作为计算机硬件的重要组成部分之一，越来越受到人们的关注。

相变存储器由于其存储密度高和功耗低等优点，成为了摆脱传统存储技术瓶颈的解决方案之一。

本文将从相变存储器技术的特点、应用、发展状况等方面进行讨论。

二、相变存储器的特点与原理相变存储器（Phase-change Memory，PCM）属于非易失性存储器。

相变存储器是利用相变物质（如GeSbTe、GeSbSe等）的物理性质，通过在相变物质中引入热脉冲或电脉冲，使相变物质从一种状态转变为另一种状态来实现存储的过程。

相变存储器的主要特点如下：1. 存储密度高。

相变存储器是一种三维存储结构，可以将多个存储单元集成在一个芯片中，从而实现更高的存储密度。

2. 速度快。

相变存储器读写速度可以达到纳秒级别，比传统的闪存存储器快很多。

3. 功耗低。

相变存储器的读写操作不需要外部电源，只需要少量电能激活相变物质即可，因此功耗非常低。

4. 非易失性。

相变存储器存储的数据具有非易失性，可以长期保存且不需要外部电源维持。

相变存储器的原理是通过在相变物质中施加电流或热脉冲，让相变物质的结构发生相变。

相变物质的电阻率随着结构状态的变化而变化，从而记录了数据。

相变材料的相变状态包括两种，一种是无序状态，另一种是有序状态。

在有序状态下，电阻率低，储存为0；在无序状态下，电阻率高，代表储存为1。

不同相变物质的相变状态转换温度不同。

通过控制施加电流或热脉冲的时间和强度，就可以实现相变存储器的读写操作。

三、相变存储器的应用研究进展相变存储器技术的应用潜力非常大，在计算机硬件领域具有广泛的应用前景。

下面将从相变存储器在计算机存储、人工智能和物联网等方面的应用以及相关技术的发展状况进行讨论。

1. 计算机存储相变存储器的高速读写和高存储密度等特点使其成为新一代计算机存储器的重要组成部分。

相变存储器不但可以替代传统磁盘驱动器、闪存盘等存储设备，还能够贡献于新型高速计算机的处理速度。

新型相变型存储器研究进展李娟1，王嘉赋1, 21武汉理工大学理学院物理科学与技术系，湖北武汉 (430070)2 材料复合新技术国家重点实验室，湖北武汉 (430070)E-mail：wuhan0602@摘要：文章系统地介绍了新型相变存储器的原理及特点、相变材料、写电流、器件稳定性和读取速度等关键性能因素以及器件结构设计和热场分布等。

CRAM的发展空间十分广阔，十分有希望成为最具有市场竞争力的新型存储器之一。

关键词：相变材料；写电流；稳定性；结构设计；热场分布1. 引言相变型半导体存储器指硫系化合物随机存储器(Chalcogenide Random Access Memory)，简称CRAM，又被称作奥弗辛斯基电效应统一存储器，是基于Ovshinsky在20世纪60年代末提出的奥弗辛斯基电效应的存储器。

CRAM所采用的存储技术是一种新型的非易失性半导体存储技术，即利用相变层发生相变前后阻值的差异来对数据进行存储[1]。

它利用具有可逆结构的硫族化合物作为相变物质，利用热能所激发的相变物质所发生的快速可逆相变来存储数据[2]。

通入写电流后，由于电阻加热器的加热作用，相变层的温度迅速升高，当达到相变薄膜的熔点时，部分材料熔化，失去了晶体状态，这时快速冷却，从而将其锁定在非晶态，非晶态在接近室温时非常稳定，但是当接近融化温度时，它的晶核形成和微晶生长的速度成指数增长。

为了在冷却的时候，不使材料重新结晶，冷却的速度要比晶核形成和生长的速度更快。

为了使存储元件重新回到可导状态，材料要被加热到结晶温度和熔化温度之间，使晶核和微晶生长在几个纳秒内快速发生[3]，从而使材料转变为晶态。

相变前后材料的阻值差可达到4-6个量级。

与目前已有的多种半导体存储技术相比，它具有循环寿命长、元件尺寸小、功耗低、可多级存储，制作工艺简单等优点[4-10]。

此外它的最大优势在于：该存储技术与材料带电粒子的状态无关，从而具有很强的抗空间辐射能力，能满足国防和航天需求，是目前国内外重点研制的新型存储器。

电子级单晶硅片的相变存储器研究与实现近年来，随着存储器技术的不断发展，相变存储器作为一种新型的非易失性存储器，受到了广泛的关注和研究。

相变存储器具备高密度、高速度、低功耗和长寿命等特点，因此在智能手机、计算机等电子产品中有着广泛的应用前景。

而电子级单晶硅片作为相变存储器的芯片载体，对于相变存储器的研究和实现起着至关重要的作用。

本文将深入研究电子级单晶硅片的相变存储器，并探讨其研究与实现的方法与技术。

首先，我们需要了解相变存储器的基本原理。

相变存储器是利用了各向同性相变材料的特性，通过在电流的作用下使相变材料发生相变的属性，来实现存储信息的目的。

而电子级单晶硅片作为相变存储器的基底材料，其优良的热稳定性和电性能使之成为相变存储器的理想载体。

在研究与实现电子级单晶硅片的相变存储器时，首先需要选择合适的相变材料，并制备出单晶硅片。

常用的相变材料有锗锑碲（GST）和锗碲锡（GTS），其热稳定性高、相变速度快的特点使其成为相变存储器的首选。

其次，我们需要对电子级单晶硅片进行制备和加工。

电子级单晶硅片具有较高的纯度和均匀性，可以提供一个良好的基底环境，确保相变存储器的性能和稳定性。

制备电子级单晶硅片的基本工艺包括单晶硅的种植和拉晶、单晶硅片的切割、晶圆的抛光和清洗等步骤。

当制备好电子级单晶硅片后，可以使用光刻技术在单晶硅片表面形成电极和电路结构，为相变存储器的实现奠定基础。

然后，我们需要进行相变存储器的设计和优化。

相变存储器的设计需要考虑到存储容量、数据保持时间、读写速度和功耗等多个方面的要求。

通过优化电极和相变材料的结构，可以提高相变存储器的读写速度和存储容量。

同时，优化电流脉冲的形状和功耗控制策略，可以降低功耗并提高数据保持时间。

此外，还可以通过多层次和交叉叠层的结构设计，提高存储密度和可靠性。

最后，我们需要对电子级单晶硅片的相变存储器进行实现和测试。

实现相变存储器的关键技术之一是相变材料的热控制和相变状态的检测。

用于通用存储和神经形态计算的相变存储器的研究进展
连晓娟;李甫;付金科;高志瑄;王磊
【期刊名称】《半导体技术》
【年(卷),期】2024(49)1
【摘要】存算一体技术目前被认为是一种可以消除冯·诺依曼计算架构瓶颈的可行性技术。

在众多的存算一体器件中,相变存储器(PCM)因其具有非易失性、可微缩性、高开关速度、低操作电压、循环寿命长以及与现有半导体工艺相兼容等优点,被认为是未来通用存储和神经形态计算器件中最具竞争力的候选者之一。

首先介绍了PCM的工作原理和器件材料结构,并详细讨论了PCM在通用存储和神经形态计算领域的应用。

PCM具有高集成度和低功耗的共性需求,但这两个应用领域对材料性能有不同的侧重点。

详细分析了PCM目前存在的优缺点,如高编程电流导致的功耗问题,以及商业化应用面临的主要挑战。

最后,针对PCM的研究现状提出了一系列改进措施,包括材料选择、器件结构设计、预操作、热损耗降低、3D架构,以及解决阻态漂移等问题,以推动其进一步发展和应用。

【总页数】29页(P1-29)
【作者】连晓娟;李甫;付金科;高志瑄;王磊
【作者单位】南京邮电大学集成电路科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP333;O792
【相关文献】
1.基于相变存储器的相变存储材料的研究进展
2.一种适用于相变存储器锁相环时钟的新型电荷泵
3.用于计算机系统的铁电随机存储器的研究进展
4.Cu对用于高速相变存储器的Sb2Te薄膜的结构及相变的影响研究∗
5.相变存储器及其用于神经形态计算的研究综述
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相变存储技术的现状和未来发展趋势近年来，数据量不断增长，如何高效、可靠地存储和处理数据成为了重要的问题。

传统的存储介质如硬盘和固态硬盘（SSD）虽然有很好的容量和读写速度，但是其功耗和响应速度还有提升空间。

而相变存储作为一种新型存储技术，具有广阔的发展前景。

相变存储作为一种新兴的非易失性存储器，其工作原理基于相变材料在受到加热或者小电流刺激时发生相变，从而改变其电阻值的特性。

相比于传统的存储器，相变存储器具有快速响应、低功耗、高容量等优势。

在现有的存储技术中，相变存储器不仅仅具有理论上的优势，实际应用也取得了不错的成果。

目前，Intel、IBM、联想等多家公司都开始向相变存储器技术转型。

比如，Intel的Optane储存器采用了3D XPoint技术，可以实现高速读写和超大容量。

未来，相变存储技术还有着广阔的发展前景。

首先是进一步提升可靠性，减少写入次数的限制，以及提高数据安全性。

其次是提高存储密度和容量，进一步降低成本。

最终，相变存储技术将会与计算机视觉、人工智能等技术结合，为人工智能的快速发展提供更加高效的存储手段。

当然，相变存储技术发展也面临着诸多的挑战。

首先，相变材料的稳定性是一个关键因素，需要解决相变材料在长时间存储、极端环境和大量循环读写等情况下的性能问题。

其次，相变存储器的制造成本和生产工艺也需要不断的优化和提升。

总的来说，相变存储技术是一种具有极大潜力的新型存储技术，其快速响应、低功耗、高容量等特点将会为未来的数据存储和处理提供更加高效的解决方案。

同时，相变存储技术也需要不断的进行研究和发展，以满足不断增长的数据需求。

相变存储材料的研究现状及未来发展趋势研究现状相变存储材料是一种将信息存储在物质的相变状态中的新型存储器。

不同于传统的存储器，相变存储器能够读写速度快、数据保存稳定，同时存储器的制造成本也较低。

当前相变存储器已经广泛应用于固态硬盘和存储阵列等领域，并在AI和云计算等行业得到了广泛的应用。

其中，三元锑硒系相变存储材料作为研究的重点之一，其阅读时间和写入时间均十分快速、存储稳定，是非常有前途的相变存储材料。

其中，3D XPoint技术（Intel Optane硬盘）是当前市场上先进的一种基于相变材料的存储技术。

3D XPoint硬盘的读取速度是传统的闪存硬盘的10倍以上，且还具有可重写和容量大的优势。

但是，相变存储器的发展也存在一些问题和限制，如性能和可靠性问题等。

因此，未来相变存储材料的研究重点将有所变化，下文将分析未来发展趋势。

未来发展趋势•突破性的材料革命：未来相变存储材料的突破将会取决于材料基础研究。

研究人员将把研究重点放在提高材料的性能和可信度上，以实现更快、更大容量的数据存储。

•新型结构的相变存储器：未来相变存储器将采用更多新型的结构和技术，如基于非易失性存储器的混合存储器和基于单一材料的存储器等，这些新型的结构和技术将有助于提高存储器的性能和可靠性。

•集成器件和系统化：未来的相变存储器将会越来越趋向于“开箱即用”，用户可以使用更为便捷和稳定的产品。

相变存储器组件的系统化和集成器件的完善将使其更加适合不同类型的应用。

总结相变存储材料是当前最为先进的一种存储材料，其广泛应用于各个领域，尤其在AI、和云计算领域的可持续性和稳定性仍是未来研究的重点。

未来相变材料的研究将会更加系统化和集成化，以使其更加适合不同类型的应用，有着广阔的发展前景。

相变存储器的研究及其应用前景近年来，随着信息技术的不断发展，人们对存储器的需求也越来越高。

在传统存储器中，闪存的使用从逐步普及到广泛应用，成为最主要的非挥发性存储器。

但是，随着技术的进步，存储器的需求越来越高，业界出现了一种新型存储器——相变存储器。

相变存储器（PCM）是一种新型的非挥发性存储器，由Chikoos等人于2003年发明并推广。

它利用物质的相变和热电源作用实现信息的存储和逻辑运算，具有存储密度高、读写速度快、功耗小等特点，被认为是未来存储领域的一项重要技术。

相变存储器的研究和发展起步较早，但由于技术较为复杂，以及市场需求未成反响，一直处于较为低迷的状态。

直到近年来，随着数据量的急剧增长，相变存储器逐渐走向了大众视野。

PCM已经成为存储器领域一个热门领域，许多企业和研究机构加大了对这一领域的研究力度。

相变存储器的优点主要在于存储密度、读写速度和功耗等方面。

相比于传统的存储器，相变存储器的存储密度更高，可以实现 Tb/平方厘米级别的存储容量，远高于当前主流的NAND和DRAM存储器。

同时，它也可以实现十分快速的读写速度，相当于随机存储器速度，达到CD-DRIVE的传输速率。

此外，相变存储器使用的功耗也比传统存储器低得多，可以在不需要电源的情况下进行数据存储，因此具有较长的使用寿命。

除了以上的优点，相变存储器还有许多其他优势。

例如，相比于闪存，相变存储器的写入和擦除速度非常快，可以在数纳秒内完成。

它还继承了闪存的持久性、低功耗、结构简单、制作工艺成熟的特点，同时又没有闪存的局限性。

相变存储器的写入电量比闪存小多了，有望取代闪存成为移动设备的主要存储器。

在应用方面，相变存储器的前景十分广泛。

学者已经预测过，相变存储器未来的应用潜力是非常高的，尤其在高性能计算和数据中心等领域将会得到广泛的应用。

此外，相变存储器还具有很好的自适应特性，在机器学习、人工智能等领域也具有很大的应用前景。

相变存储器的出现将大大改变传统存储器的面貌，为存储器领域的发展带来了新希望。