【香港商報網訊】記者 林麗青 報導：8月22日，深圳大學科研工作又傳喜訊。該校材料學院饒峰教授與美國約翰霍普金斯大學馬恩教授、西安交通大學張偉教授合作，在面向高精度神經元計算應用的相變存儲材料與器件研究方面取得重要進展。該成果以Phase-change heterostructure enables ultralow noise and drift for memory operation（超低噪聲與漂移的相變異質結存儲器）為題，於2019年8月22日由Science雜誌以First Release形式發佈。饒峰教授為本論文共同通訊作者，團隊成員丁科元博士後為第一作者，深圳大學材料學院為本論文第一單位。
相變異質結PCH器件准二維相變與抑制組分偏析，確保超低數據態電阻波動
隨着人工智能、大數據、超級計算機的迅猛發展，要求傳統商用計算體系架構更加低功耗、高效率、低成本。當前傳統的馮諾依曼計算體系架構採用二進制數字信號且數據處理與存儲分離，約40%的能耗僅用於數據的往返搬運而非計算或存儲。為此業界近年來致力於研發基於新型非易失性存儲技術的類腦神經元計算器件（Neuro-inspired computing devices），從而實現非馮諾依曼架構的全新計算體系，實現存算一體以及模擬信號處理，實現整體計算性能、效率的數量級提升，以應對後摩爾定律時代微納電子產業跨越式發展需求。
相變隨機存儲器（Phase-change random-access memory，PCRAM）是最成熟的新型非易失性存儲器技術，2015-2018年間已實現商業化：Intel量產128-512 GB傲騰Optane芯片已作為持久性存儲器（Persistent memory）替代閃存（NAND Flash）及部分內存（DRAM）；近年來基於先進的PCRAM技術研發神經元計算器件已成為業界研發焦點。然而商用PCRAM器件在反覆可逆相變操作過程中，Ge2Sb2Te5（GST）材料組分逐步偏析乃至出現較大孔洞，其非晶相具有本徵的電阻值隨時間顯著漂移特性，且在結晶化時亦存在較大的隨機性，致使多數據態存儲操作時各態電阻值波動較大，導致高密度存儲陣列的單元間與單元內反覆多次操作一致性、協同性低下，造成神經元計算時噪聲頗高，嚴重製約了高精度、高效率神經元計算器件的開發。
相變異質結PCH器件超低數據態阻值漂移與高精度的迭代RESET和累積SET操作
聚焦此關鍵科學問題，饒峰、馬恩與張偉通力合作，提出了一種新式的相變異質結（Phase-change heterostructure，PCH）設計，由多個交替堆疊的相變層與限制層構成，並通過原位加熱且低速生長的多層薄膜磁控濺射沉積技術實現了高質量PCH薄膜的製備。該PCH可有效抑制玻璃態相變材料結構弛豫以及反覆可逆相變過程中的組分偏析，將PCRAM器件數據態的阻值波動和漂移降低到前所未有的水平。該PCH基PCRAM器件在迭代RESET操作時可實現9個穩定的多態存儲（各電阻態阻值漂移係數小於~0.005，遠低於非晶GST器件的~0.11），並在累積SET操作時器件電導呈現高一致性（波動小於9%，而GST器件波動則超過40%）；這些優越的性能適用於精準矢量矩陣乘法計算（precise vector-matrix multiplication calculations）、快速時序相關探測（rapid temporal correlation detections）和其他要求高精度和高一致性的機器學習任務（machine-learning tasks）。此外，相比GST基器件而言，PCH器件的操作速度快一個數量級（達亞10 ns級）、操作壽命提升三個數量級、操作功耗降低超過87%，亦為發展DRAM型高性能PCRAM器件提供了可行的解決方案。值得指出的是，PCH結構所採用的多層膜製備技術並不會大幅增加芯片製造成本或需開發額外複雜的工藝，可完美匹配現有PCRAM量產工藝，將有助於大力推進基於先進微電子技術的高性能神經元感知芯片的開發。
深大團隊開展該項工作獲得了國家自然科學基金優秀青年基金項目、廣東省重大科研基礎研究項目、深圳市基礎研究科學布局項目的資助。
論文截圖
饒峰特聘教授為本論文共同通訊作者，團隊成員丁科元博士後為第一作者，深圳大學材料學院為本論文第一單位。西安交大王疆靖博士、周宇星碩士，浙江大學田鶴教授為共同第一作者；合作者包括路璐博士（西安交大）、賈春林教授（西安交大、德國於利希研究中心）以及Riccardo Mazzarello教授（德國亞琛工大）；其他合作單位包括中科院上海微系統所、榆林學院。
本項工作是饒峰教授繼2017年11月Science發表變革傳統馮諾伊曼計算體系架構的超高速緩存（SRAM）級鈧銻碲相變存儲材料與器件研究成果：Reducing the stochasticity of crystal nucleation to enable sub-nanosecond memory writing. Rao et al., Science 358, 1423–1427 （2017），之後的又一重大進展。2019年6月饒峰教授還應邀在Science發表觀點論文：Catching structural transitions in liquids. Rao et al., Science 364, 1032–1033 （2019），評述了相變存儲材料相變過程中的液-液轉變以及結晶動力學大幅反差的結構根源，並提出了下一步實驗與計算的研究方向。
附【論文鏈接】https://science.sciencemag.org/content/early/2019/08/21/science.aay0291