背景

　　如今，越来越多的物体变得“智能化”，例如智能手表、智能服装、智能家居等等。然而，智能化不断深入与物联网蓬勃发展，对于存储技术提出了更高的要求，更加需要以“低功耗方式”高速存储和获取大量数据。

　　因此，芯片制造商们一直都在寻求更佳的存储技术，让更多的物体变得智能化。下一代存储器件的可能性之一，就是“阻变存储器”，或者简称“RRAM”。在 RRAM 中，电流通常被驱动通过由堆叠材料组成的内存单元，引起电阻变化，并存储器中记录数据“0”或“1”。存储单元中这一连串的“0”和“1”代表的信息片段，可被计算机读取，用于执行函数，然后再存储到内存中。

　　RRAM 存储器，比目前其他的存储技术更加快速且省电。此外，RRAM 存储器还可以用于改善存储器件与逻辑器件之间的通信。

　　例如，美国斯坦福大学团队曾开发出一种“三维芯片”，将存储器和逻辑单元，像楼板一样一层一层地交替放置，并采用成千上万的垂直纳米连接进行通信。这样缩短了数据传输的距离，让数据传输得更快，使用的电量更少。这种方法有效规避了传统二维结构的计算机芯片中逻辑单元与存储单元之间存在的通信瓶颈问题。

　　(图片来源：斯坦福大学)

　　(图片来源：斯坦福大学)

　　RRAM 有这么多的优势，为什么RRAM 至今尚未在计算机芯片中得到大规模使用呢?其中一个重要原因是：材料需要足够“健壮”，才能满足至少万亿次存储和获取数据的需求，但是目前使用的材料可靠性太低。

　　创新

　　近日，二碲化钼 (Molybdenum Ditelluride) 材料中之前未被观察到的功能得以发现，几百万个存储单元有望成为计算芯片的一部分，提供高速省电的数据存储方式，并且解决上述问题。

　　这种二维材料堆叠到多层中构建出存储单元。美国普渡大学、国家标准与技术研究院(NIST)以及泰斯研究公司(Theiss Research Inc)的研究人员们合作设计出这种器件。他们的研究成果发表在提前在线发行的《自然材料(Nature Materials)》期刊上。普渡大学技术商业化办公室已为这项技术申请了两项美国专利。

　　(图片来源：普渡大学)

　　技术

　　普渡大学电气与计算机工程系教授、比尔克纳米技术中心纳米电子学科技总监 Joerg Appenzeller 表示：“我们还没有检查采用这种材料的系统的疲劳度，但是我们希望比其他方案更快且更可靠，因为我们观察到了它具有独特的开关机制。”

　　垂直的基于TMD的器件特性(图片来源：参考资料【2】)

　　基于2H-MoTe2- 和 2H-Mo1xWxTe2- 的 RRAM 的表现以及根据薄片的厚度设置的电压。(图片来源：参考资料【2】)

　　C-AFM 和 STEM 测量与分析(图片来源：参考资料【2】)

　　二碲化钼，使系统能在“0”和“1”之间切换得更快，有望加速信息的存储与获取。这是因为，当电场施加到存储单元上时，原子的位置产生微小移动，从而带来高电阻状态，标记为“0”;或者低电阻状态，标记为“1”。这种速度比传统 RRAM 器件中的开关速度要快得多。

　　在计算机芯片中，每个存储单元位于电线交叉点上，形成一种称为“交叉点RRAM”的存储阵列。

　　价值

　　Appenzeller 表示：“因为这些电阻状态改变需要的功耗更低，电池可以持续更长的时间。”

　　Appenzeller 的实验室利用在 NIST 制造的新型电子材料库，想要尝试构建堆叠存储单元，这些存储单元也包含了计算机芯片的其他主要元器件：“逻辑器件”(用于处理数据)以及“互连线”(用于传输电信号)，

　　Appenzeller 表示：“逻辑器件与互连线也会消耗电池电量，因此完整的二维架构的好处在于，在更小的空间中带来更多的功能，以及存储与逻辑器件之间更好的通信。”