當今的內存格局包括不同類型的內存，每一種內存都在存儲數據并將它們來回饋送到電子系統的計算部分中發揮作用。在傳統的計算機層次結構中，快速且更昂貴的有源存儲器(靜態隨機存取存儲器 (SRAM) 和動態 RAM (DRAM))與更高延遲和更低成本的存儲解決方案不同。

存儲大量數據主要通過 NAND 閃存、硬盤驅動器 (HDD) 和磁帶技術完成。雖然磁帶存儲仍然僅限于長期存檔，但 HDD 和 NAND-Flash 用于在線和近線存儲應用：它們都需要比磁帶更頻繁地訪問，訪問時間從微秒到幾秒不等。NAND-Flash 在這兩種存儲類型中提供最低的延遲和功耗。這種非易失性存儲器存在于所有主要的電子終端市場，例如智能手機、服務器、個人電腦、平板電腦和 USB 驅動器。

圖1.當今主要內存技術及其應用領域的示意性概述，說明了延遲和生產力之間的權衡。

多年來，研究人員已經能夠顯著提高各種存儲解決方案的比特密度，以跟上不斷增長的需求。然而，幾年來，HDD 技術一直未能跟隨歷史生產力趨勢線。預計 NAND-Flash 技術也會出現類似的時間延遲。

3D-NAND-Flash 預計到 2029 年將達到高達 70Gbit/mm 2的存儲密度，相對于歷史密度擴展路線圖，這將放緩大約四年。

進入后NAND時代

在 NAND-Flash 擴展飽和后，我們預計不同的存儲技術會共存，每種技術都會權衡大小、能耗、延遲和成本。正在研究存儲的新概念，不是為了取代現有的存儲解決方案，而是在延遲/生產力空間中補充它們。

想想 DNA 存儲，針對低成本、超高密度但速度較慢的歸檔應用(例如保存(監視)視頻、醫療和科學數據)或鐵電存儲技術，預計將在低延遲中找到自己的位置存儲細分市場。所有這些存儲器都將組織在不同的層級中，并將共同滿足 >100 zettabyte 數據時代的存儲需求。

在本文中，我們提出了兩種新的基于液體的存儲概念——膠體(colloidal)和電石存儲器(electrolithic memory)——具有超高密度近線存儲應用的潛力。例如，這些存儲解決方案可以在幾秒鐘內使歸檔的“非活動”數據(例如電子郵件歸檔、圖像和聲音文件或其他大型文檔)可供用戶訪問。從 2030 年開始，它們可能會在 HDD 和磁帶之間找到自己的位置，每卷的位數要高得多，但比 3D-NAND-Flash 慢。

增加位密度需要新的方法來尋址存儲單元

我們認為，以具有成本效益的方式進一步擴展傳統固態存儲器(如 SRAM、DRAM 或 3D-NAND-Flash)的位密度具有挑戰性是有一個根本原因。在所有這些存儲器中，存儲單元被組織成二維或三維陣列，位于字線和位線的交叉點。每個單元至少由一個存儲元件和一個訪問設備組成。存取設備——通常是晶體管或二極管——將存儲元件連接到至少兩條線，用于選擇、讀取和寫入存儲單元。

縮放挑戰與存儲元件本身無關(單個分子大小的存儲元件已被證明)，而是與訪問設備及其布線有關。

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)，由用于圖案化導線的(昂貴的)光刻步驟確定。這種每個存儲元件都有一個訪問設備的配置使得開發具有成本效益的高密度解決方案并在每個單元中存儲多于幾位(目前最多 4 位 NAND-Flash 單元)具有挑戰性。

HDD 和磁帶存儲技術采用了不同的策略。在這里，顯著較少數量的讀/寫訪問設備連接到用作存儲介質的較大未圖案化區域。與 NAND 閃存相比，這導致更高的密度和更低的每比特成本。但也適用于更慢、更笨重和耗能的解決方案——因為讀取頭必須以機械方式定位在大面積上。

顛覆性解決方案將密集的訪問設備陣列耦合到容量存儲介質

通過調和兩全其美，可以找到新的方法來制造超高密度存儲設備，其每比特成本可承受，運行速度比磁帶快。

啟用超高密度存儲設備的一種有吸引力的方法是制作連接到存儲介質的密集訪問設備陣列。受生命科學進步的啟發，這種存儲介質可以是一種包含離子、分子或(納米)粒子的液體，可以對其進行操作并以更大的體積移動到作為密集陣列一部分的訪問設備。

這種方法將實現多位操作，每個位所需的訪問設備、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工業界的興趣，世界范圍內正在研究幾種基于液體的概念。

圖2.內存技術采用的三種不同類型的尋址

下面，我們提出了兩個新的基于液體的概念，它們具有長期的近線存儲潛力，目標是(亞)秒訪問時間。在本文中，重點是它們的工作原理和第一個實驗結果。更多細節在 IMW 2022 上進行了介紹，有關電石存儲器的工作最近發表在 IEEE Transactions on Electron Devices 上。

科技與創新Colloidal memory：操縱納米粒子

imec 引入的第一個基于液體的記憶概念被稱為膠體記憶(Colloidal memory)。

膠體記憶概念很好地展示了液體(例如，水)如何用作體積存儲介質和溶解的納米顆粒(膠體)作為數據符號的載體。

這個想法是使用(至少)兩種類型的納米顆粒(A 和 B)的膠體，這些納米顆粒包含在儲層中。該儲存器連接到capillaries陣列，納米顆粒可以插入其中。如納米顆粒僅比capillaries的直徑稍小，則可以保留顆粒(位)進入毛細管的順序。正是在這個比特序列中，信息才能被編碼。納米顆粒可以通過位于每個capillaries入口處的電極選擇性地誘導(和感測)。CMOS 外圍電路控制電極陣列。

圖3.膠體記憶概念示意圖

主要挑戰之一涉及“寫入”納米顆粒的序列，換句話說，將顆粒選擇性地吸引和插入capillaries中。Imec 研究人員正在從理論上和實驗上探索使用頻率相關介電泳作為寫入機制的可行性。按照這種機制，跨電極產生的交變電場對納米顆粒施加力。 這種力是吸引力還是排斥力取決于粒子的類型和誘發電場的頻率等。可以通過選擇對所施加頻率(吸引與排斥)響應不同的兩個粒子來創建選擇性寫入過程。

膠體記憶技術處于研發探索階段。第一組采用不同配置(包括叉指(interdigital)和棋盤排列陣列(checkboard arranged arrays))的 μm 尺寸電極的實驗標志著第一個里程碑。利用介電泳(dielectrophoresis)效應，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。但所需的技術仍需要重大發展。正在進行進一步的研究以微調該概念并提供納米級的第一個原理證明。

圖4.寫入過程的演示：(熒光)聚苯乙烯納米粒子被棋盤排列中的電極產生的交變電場吸引。

電石存儲器：利用電化學

與膠體存儲器一樣，電石存儲器也使用流體儲存器和capillaries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的電沉積和溶解技術來實現的。

更詳細地，儲液器包含其中溶解有(至少)兩種金屬離子(A和B)的流體。該儲層連接到一系列capillaries(或孔)。工作電極(由惰性金屬如釕 (Ru) 制成)位于每個毛細管的底部。儲存器也與單個反電極接觸。儲液器、工作電極和公共反電極一起為每個capillaries形成一個電化學電池。密集的工作電極陣列連接到 CMOS 集成電路，用于單獨尋址每個電極。

通過在capillaries內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——由其化學性質決定。

信息現在可以被編碼在交替層的堆棧中，暗示著地層石(lithos)——因此是新記憶的名稱。

圖5.電石存儲器概念示意圖

我們現在可以想出幾種方法來對信息進行編碼。在一種可能的編碼方案中，1nm 的金屬 A 可用于編碼二進制 0，而 2nm 厚的 A 層編碼二進制 1。固定厚度(例如，0.5nm)的金屬 B 層可用于描繪后續層實際上，假設 B 的起始電位高于 A，金屬 B 層將與一定量的 A 合金化。可以通過反轉電池電流和監測溶解電位來實現電石存儲器的讀取。

在使用毫米和微米尺寸電極的第一個概念驗證中，可以成功地證明使用這些技術進行讀寫的可行性。例如，對于直徑為 4μm 的電極，研究人員展示了兩層 CoNi 的連續寫入和讀取，與三層 Cu 交替。實驗還表明，微米大小的電極比大電極的寫入/讀取時間更短。

圖6.頂部視圖 SEM 顯示了具有毫米到微米范圍內不同尺寸電極的微電極陣列：第一個概念驗證

最終需要緊密間距的納米級井(well)來實現足夠高的位密度和響應時間。因此，imec 研究人員制造了第二代電石存儲單元，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。初步結果表明，溶解Cu/CoNi五層堆棧后獲得的讀取信號與寫入(即沉積)操作很好地對應(見圖7)。

圖7.(左)具有納米孔和公共底部電極的第二代電石存儲單元;(中)寫入 Cu/CoNi 5 層堆棧的示意圖，顯示了三種不同的寫入方案;(右)讀取信號，清楚地顯示了 CoNi 層在堆疊中的位置。例如，最先出現的峰對應于最近沉積的 CoNi 層。

邁向工業應用：提高密度、響應時間、帶寬、耐用性和保留率

這些基于液體的新型存儲器仍處于探索性研究階段，其中電石存儲器是最先進的。然而，工業界已經對這些概念表現出相當大的興趣。

在 imec，我們設想從 2030 年開始在內存路線圖中引入液態內存，屆時 3D-NAND-Flash 的位密度縮放將開始飽和。

隨著進一步擴展的努力，我們預計通過這些方法，位存儲密度可以推向 1Tbit/mm 2范圍，與 3D-NAND-Flash 相比，每 mm 2的工藝成本更低。對于液態存儲器而言，只有電極和capillaries的間距為 40nm，才能實現如此高的密度。此外，研究人員必須能夠分別制造用于膠體和電石存儲器的縱橫比約為 400:1 和 165:1 的capillaries。這類似于制造未來 3D-NAND-Flash 產品所需的內存孔的縱橫比，因此被認為是一個現實的目標。

要成為近線應用的可行存儲解決方案，該技術還必須具有足夠的響應時間、帶寬(例如 20Gb/s)、循環耐久性(10 3寫入/讀取周期)、能耗(幾 pJ 寫入位)、和保留(超過 10 年)。這些評估將成為進一步研究的主題，建立在 imec 的 300 毫米液體記憶測試平臺上，該平臺具有不同配置的colloidal和electrolithic cells。

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文章來源：電子工程專輯