探索用于超高密度存儲(chǔ)的基于液體的存儲(chǔ)器

從 2030 年起，新型存儲(chǔ)技術(shù)有望進(jìn)入內(nèi)存路線圖，在延遲/生產(chǎn)力空間中補(bǔ)充 3D NAND 閃存、硬盤驅(qū)動(dòng)器 (HDD) 和磁帶。本文介紹了兩種新的基于液體的存儲(chǔ)概念：膠體和電石存儲(chǔ)器。我們解釋了基本操作原理，展示了第一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并強(qiáng)調(diào)了它們?cè)谖磥斫€存儲(chǔ)應(yīng)用中的潛力。這些液態(tài)記憶最近在 2022 年國(guó)際記憶研討會(huì) (IMW) 的一篇受邀論文中提出。

存儲(chǔ)密度擴(kuò)展趨勢(shì)放緩

當(dāng)今的內(nèi)存格局包括各種類型的內(nèi)存，每一種內(nèi)存都在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和將數(shù)據(jù)來回饋送到電子系統(tǒng)的計(jì)算部分中發(fā)揮作用。在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)中，快速且更昂貴的有源存儲(chǔ)器——靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (SRAM) 和動(dòng)態(tài) RAM (DRAM)——與更高延遲和更低成本的存儲(chǔ)解決方案不同。

存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)主要通過 NAND 閃存、HDD 和磁帶技術(shù)完成。雖然磁帶存儲(chǔ)仍然僅限于長(zhǎng)期存檔，但 HDD 和 NAND 閃存用于在線和近線存儲(chǔ)應(yīng)用：它們都需要比磁帶更頻繁地訪問，訪問時(shí)間從微秒到幾秒不等。NAND 閃存在這兩種存儲(chǔ)類型中提供最低的延遲和功耗。這種非易失性存儲(chǔ)器存在于所有主要的電子最終用途市場(chǎng)，例如智能手機(jī)、服務(wù)器、PC、平板電腦和 USB 驅(qū)動(dòng)器。

多年來，研究人員已經(jīng)能夠顯著提高各種存儲(chǔ)解決方案的比特密度，以跟上對(duì)每卷比特不斷增長(zhǎng)的需求。然而，幾年來，HDD 技術(shù)一直未能跟隨歷史生產(chǎn)力趨勢(shì)線。預(yù)計(jì) NAND 閃存技術(shù)也會(huì)出現(xiàn)類似的時(shí)間延遲。到 2029 年， 3D NAND 閃存預(yù)計(jì)將達(dá)到高達(dá) 70Gbit/mm 2的存儲(chǔ)密度，相對(duì)于歷史密度擴(kuò)展路線圖，這將放緩大約四年。

進(jìn)入后NAND時(shí)代

在 NAND 閃存擴(kuò)展飽和后，我們預(yù)計(jì)不同的存儲(chǔ)技術(shù)將共存，每種技術(shù)都會(huì)在大小、能耗、延遲和成本方面進(jìn)行權(quán)衡。正在研究存儲(chǔ)的新概念，不是為了取代現(xiàn)有的存儲(chǔ)解決方案，而是在延遲/生產(chǎn)力空間中補(bǔ)充它們。想想 DNA 存儲(chǔ)，目標(biāo)是低成本、超高密度但速度較慢的歸檔應(yīng)用(例如保存(監(jiān)視)視頻、醫(yī)療和科學(xué)數(shù)據(jù))，或鐵電存儲(chǔ)技術(shù)，預(yù)計(jì)將在低延遲中找到自己的位置存儲(chǔ)細(xì)分市場(chǎng)。所有這些存儲(chǔ)器都將組織在不同的層級(jí)中，并將共同滿足 >100 zettabyte 數(shù)據(jù)時(shí)代的存儲(chǔ)需求。

在本文中，我們提出了兩種新的基于液體的存儲(chǔ)概念——膠體和電石存儲(chǔ)器——具有超高密度近線存儲(chǔ)應(yīng)用的潛力。例如，這些存儲(chǔ)解決方案可以使歸檔的“非活動(dòng)”數(shù)據(jù)，如電子郵件檔案、圖像和聲音文件，或其他大型文檔，用戶可以在幾秒鐘內(nèi)訪問。從 2030 年開始，它們可能會(huì)在 HDD 和磁帶之間找到自己的位置，每卷的位數(shù)要高得多，但比 3D NAND 閃存慢。

增加位密度需要新的方法來尋址存儲(chǔ)單元

我們認(rèn)為，以經(jīng)濟(jì)高效的方式進(jìn)一步擴(kuò)展傳統(tǒng)固態(tài)存儲(chǔ)器(如 SRAM、DRAM 或 3D NAND 閃存)的位密度具有挑戰(zhàn)性，這是有一個(gè)根本原因。在所有這些存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)單元被組織成二維或三維陣列，位于字線和位線的交叉點(diǎn)。每個(gè)單元至少由一個(gè)存儲(chǔ)元件和一個(gè)訪問設(shè)備組成。存取裝置——通常是晶體管或二極管——將存儲(chǔ)元件連接到至少兩條線，用于選擇、讀取和寫入存儲(chǔ)單元。

縮放挑戰(zhàn)與存儲(chǔ)元件本身無(wú)關(guān)(單個(gè)分子大小的存儲(chǔ)元件已被證明)，而是與訪問設(shè)備及其布線有關(guān)。單元的尺寸至少為 2Fx2F (4F 2 )，其中 F 是最小特征尺寸(例如，字線半間距)，由用于圖案化導(dǎo)線的(昂貴的)光刻步驟確定。這種為每個(gè)存儲(chǔ)元件配備一個(gè)訪問設(shè)備的配置使得開發(fā)具有成本效益的高密度解決方案和每個(gè)單元存儲(chǔ)多于幾位(目前最多 4 位 NAND 閃存單元)具有挑戰(zhàn)性。

HDD 和磁帶存儲(chǔ)技術(shù)采用了不同的策略。在這里，數(shù)量顯著減少的讀/寫訪問設(shè)備連接到用作存儲(chǔ)介質(zhì)的更大的未圖案化區(qū)域。這導(dǎo)致比 NAND 閃存更高的密度和更低的每比特成本，以及更慢、更笨重和耗能的解決方案——因?yàn)樽x取頭必須以機(jī)械方式定位在大面積上。

將密集的訪問設(shè)備陣列連接到體積存儲(chǔ)介質(zhì)

通過協(xié)調(diào)兩全其美，可以找到新的方法來以可承受的每比特成本制造超高密度存儲(chǔ)設(shè)備，并且比磁帶等運(yùn)行速度更快。為什么不制作連接到體積存儲(chǔ)介質(zhì)的密集訪問設(shè)備陣列呢?受生命科學(xué)進(jìn)步的啟發(fā)，這種存儲(chǔ)介質(zhì)可以是一種包含離子、分子或(納米)粒子的液體，可以對(duì)其進(jìn)行操作并以更大的體積移動(dòng)到作為密集陣列一部分的訪問設(shè)備。

這種方法將實(shí)現(xiàn)多位操作，每個(gè)位所需的訪問設(shè)備、電線和光刻步驟顯著減少。這種新方法的高密度潛力引起了業(yè)界的興趣，全球范圍內(nèi)正在研究幾種基于液體的概念。

下面，我們提出了兩個(gè)新的基于液體的概念，它們具有長(zhǎng)期的近線存儲(chǔ)潛力，目標(biāo)是(亞)秒訪問時(shí)間。在本文中，重點(diǎn)是它們的工作原理和第一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。更多細(xì)節(jié)在 IMW 2022 的一篇題為“Liquid memory and the future of data storage”的論文中進(jìn)行了介紹，有關(guān)電石存儲(chǔ)器的工作最近發(fā)表在 IEEE Transactions on Electron Devices 的一篇題為“Electrolithic Memory: A New Device for Ultrahigh”的論文中-密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)”。

膠體記憶：操縱納米粒子

Imec 引入的第一個(gè)基于液體的記憶概念被稱為膠體記憶。它很好地展示了如何將液體(例如，水)用作體積存儲(chǔ)介質(zhì)，并將溶解的納米顆粒(膠體)用作數(shù)據(jù)符號(hào)的載體。

這個(gè)想法是使用包含在儲(chǔ)層中的至少兩種類型的納米粒子(圖 3 中的 A 和 B)的膠體。該儲(chǔ)存器連接到毛細(xì)管陣列，納米顆?？梢圆迦肫渲小Ｈ绻{米顆粒僅比毛細(xì)管的直徑稍小，則可以保留顆粒(位)進(jìn)入毛細(xì)管的順序。正是在這個(gè)比特序列中，信息才能被編碼。納米顆粒可以通過位于每個(gè)毛細(xì)管入口處的電極選擇性地誘導(dǎo)(和感測(cè))。CMOS 外圍電路控制電極陣列。

主要挑戰(zhàn)之一與“編寫”納米粒子的序列有關(guān)。換句話說，選擇性地吸引顆粒并將其插入毛細(xì)管中。Imec 研究人員正在從理論上和實(shí)驗(yàn)上探索使用頻率相關(guān)介電泳作為寫入機(jī)制的可行性。按照這種機(jī)制，跨電極產(chǎn)生的交變電場(chǎng)對(duì)納米顆粒施加力。這種力是吸引力還是排斥力取決于粒子的類型和誘發(fā)電場(chǎng)的頻率等。可以通過選擇對(duì)所施加頻率(吸引與排斥)響應(yīng)不同的兩個(gè)粒子來創(chuàng)建選擇性寫入過程。

膠體記憶技術(shù)處于研發(fā)探索階段。第一組采用不同配置(包括叉指和棋盤排列陣列)的微米大小電極的實(shí)驗(yàn)標(biāo)志著第一個(gè)里程碑。利用介電泳效應(yīng)，他們展示了從混合溶液中選擇性提取聚苯乙烯納米粒子的可行性。但所需的技術(shù)仍需要重大發(fā)展。正在進(jìn)行進(jìn)一步的研究以微調(diào)該概念并提供納米級(jí)的第一個(gè)原理證明。

電石存儲(chǔ)器：利用電化學(xué)

與膠體存儲(chǔ)器類似，電石存儲(chǔ)器也使用流體儲(chǔ)存器和毛細(xì)管陣列。但在這種情況下，金屬離子溶解在液體中，讀寫操作是通過更傳統(tǒng)的電沉積和電溶解技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。

更詳細(xì)地說，儲(chǔ)液器包含一種流體，其中溶解了至少兩種金屬離子(圖 5 中的 A 和 B)。該儲(chǔ)層連接到一系列毛細(xì)管(或孔)。工作電極(由釕等惰性金屬制成)位于每個(gè)毛細(xì)管的底部。儲(chǔ)存器也與單個(gè)反電極接觸。儲(chǔ)液器、工作電極和公共反電極一起為每個(gè)毛細(xì)管形成一個(gè)電化學(xué)電池。密集的工作電極陣列連接到 CMOS 集成電路，用于單獨(dú)尋址每個(gè)電極。

通過在毛細(xì)管內(nèi)的工作電極上施加一定的電位，金屬 A 的薄層可以沉積在電極上。金屬 B 的行為相似，但沉積的起始電位不同——由其化學(xué)性質(zhì)決定。信息現(xiàn)在可以被編碼在交替層的堆棧中，暗示著地層石(lithos)——這就是新記憶的名稱。

我們現(xiàn)在可以想出幾種方法來對(duì)信息進(jìn)行編碼。在一種可能的編碼方案中，1nm 的金屬 A 可用于編碼二進(jìn)制 0，而 2nm 厚的 A 層編碼二進(jìn)制 1。固定厚度(例如，0.5nm)的金屬 B 層可用于描繪后續(xù)層實(shí)際上，假設(shè) B 的起始電位高于 A，金屬 B 層將與一定量的 A 合金化。可以通過反轉(zhuǎn)電池電流和監(jiān)測(cè)溶解電位來實(shí)現(xiàn)電石存儲(chǔ)器的讀取。

在使用毫米和微米大小電極的第一個(gè)概念驗(yàn)證中，可以成功地證明使用這些技術(shù)進(jìn)行讀寫的可行性。例如，對(duì)于直徑為 4μm 的電極，研究人員展示了兩層 CoNi 的連續(xù)寫入和讀取，與三層 Cu 交替。實(shí)驗(yàn)還表明，微米大小的電極比大電極的寫入/讀取時(shí)間更短。

最終需要緊密間距的納米級(jí)井來實(shí)現(xiàn)足夠高的位密度和響應(yīng)時(shí)間。因此，Imec 研究人員制造了第二代電石存儲(chǔ)單元，旨在從廣泛的平行納米井陣列(直徑 80-150 納米，深 300 納米)寫入和讀取信號(hào)。初步結(jié)果表明，溶解 Cu/CoNi 五層堆疊后獲得的讀取信號(hào)與寫入(即沉積)操作很好地對(duì)應(yīng)，如圖 7 所示。

邁向工業(yè)應(yīng)用：提高密度、響應(yīng)時(shí)間、帶寬、耐用性和保留率

這些基于液體的新型存儲(chǔ)器仍處于探索性研究階段，其中電石存儲(chǔ)器是最先進(jìn)的。盡管如此，業(yè)界已經(jīng)對(duì)這些概念表現(xiàn)出極大的興趣。在 Imec，我們?cè)O(shè)想從 2030 年起將它們引入內(nèi)存路線圖，屆時(shí)3D NAND 閃存的位密度縮放將開始飽和。

隨著進(jìn)一步擴(kuò)展的努力，我們預(yù)計(jì)通過這些方法，位存儲(chǔ)密度可以推向 1Tbit/mm 2范圍，與 3D NAND 閃存相比，每 mm 2的工藝成本更低。對(duì)于液態(tài)存儲(chǔ)器而言，只有電極和毛細(xì)管的間距為 40nm，才能實(shí)現(xiàn)如此高的密度。此外，研究人員必須能夠分別制造用于膠體和電石存儲(chǔ)器的縱橫比約為 400:1 和 165:1 的毛細(xì)管。這類似于制造未來 3D NAND 閃存產(chǎn)品所需的內(nèi)存孔的縱橫比，因此被認(rèn)為是一個(gè)現(xiàn)實(shí)的目標(biāo)。

要成為近線應(yīng)用的可行存儲(chǔ)解決方案，該技術(shù)還必須具有足夠的響應(yīng)時(shí)間、帶寬(例如 20Gb/s)、循環(huán)耐久性(10 3寫入/讀取周期)、能耗(幾 pJ 寫入位)、和保留(超過 10 年)。這些評(píng)估將成為進(jìn)一步研究的主題，建立在 Imec 的 300 毫米液體記憶測(cè)試平臺(tái)上，該平臺(tái)具有不同配置的膠體和電石電池。