復旦大學和清華大學團隊在存儲芯片上創下新突破

超快閃存集成工藝和統計性能

團隊開發了超界面工程技術，在規模化二維閃存中實現了具備原子級平整度的異質界面，結合原子級精度的表征技術，驗證集成工藝顯著優于國際水平。通過嚴格的直流存儲窗口、交流脈沖存儲性能測試，證實了二維閃存在1Kb存儲規模中，納秒級非易失編程速度下良率高達98%，這一良率已高于國際半導體技術路線圖（International Technology Roadmap for Semiconductors）對閃存制造89.5%的良率要求。

同時，研究團隊研發了不依賴先進光刻設備的自對準工藝，結合原始創新的超快存儲疊層電場設計理論，成功實現了溝道長度為8納米的超快閃存器件，是目前最短溝道閃存器件，并突破了硅基閃存物理尺寸極限（約15納米）。在原子級薄層溝道支持下，這一超小尺寸器件具備20納秒超快編程、10年非易失、十萬次循環壽命和多態存儲性能。有望推動超快顛覆性閃存技術產業化。

據悉，復旦大學集成芯片與系統全國重點實驗室、芯片與系統前沿技術研究院劉春森研究員和微電子學院周鵬教授為論文通訊作者，劉春森研究員和博士生江勇波、曹振遠為論文第一作者。研究工作得到了科技部重點研發計劃、基金委重要領軍人才計劃、上海市基礎特區計劃、上海市啟明星等項目的資助，以及教育部創新平臺的支持。

此外，近日清華大學集成電路學院南天翔課題組及合作者提出利用電壓原位控制鐵酸鉍異質結構中的多鐵磁振子自旋力矩，從而實現可重構邏輯存儲器。目前相關研究成果已經以“電壓調控多鐵磁振子力矩實現可重構邏輯存儲器”（Voltage control of multiferroic magnon torque for reconfigurable logic-in-memory）為題，在線發表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。

圖1 多鐵性磁振子自旋力矩器件的工作原理

據悉，內存計算利用能夠在同一設備內同時執行信息存儲和邏輯運算的非易失性存儲器，有望在顯著降低能耗的同時增強人工智能傳輸，而該過程不可避免地會產生焦耳熱。

近期該研究發現，磁振子可以在亞鐵磁和反鐵磁絕緣體中傳輸自旋而不涉及電荷運動，在作為信息載體處理和傳輸信息時不產生明顯的熱耗散，是開發低耗散自旋邏輯-存儲設備的有效途徑。非相干磁振子可以在直流電路中被電（或者熱）激發，使其與當前的半導體技術兼容。另一方面，在實際應用中，通過施加柵極電壓來實現磁振子邏輯運算也十分重要。然而，目前在室溫下操縱磁振子流傳輸的技術主要依賴于通過施加磁場來重新調整磁性序或調節磁疇結構。

該研究將多鐵性材料與磁振子存儲器相結合進行電路設計，利用多鐵性材料實現對磁振子力矩的非易失性調控，并提出了一種柵極電壓調控可重構磁振子邏輯存儲器。該邏輯存儲器包括多個位于同一個電流通道上的鐵磁/多鐵性鐵酸鉍BiFeO3存儲單元。通過在電流通道中施加電流脈沖，可以在多鐵性材料中產生非相干磁振子流，并通過磁振子力矩將自旋信息并行地、非易失性地寫入多個存儲單元。通過原位施加柵極電壓脈沖翻轉鐵電極化，實現了對磁振子自旋傳輸的非易失性控制。

研究團隊進一步提出并演示了一種基于多鐵性磁振子自旋力矩的可重構邏輯存儲器。這賦予了該邏輯存儲器在不改變電路拓撲的情況下，可以被重構實現16種布爾代數運算的能力。該器件減少了中間計算參數復制的必要性，顯著降低了內存區域開銷和功耗，并消除了斷電后重新加載數據的需要。這些特點凸顯了多鐵性磁振子器件在低功耗存內計算方面的潛力。

圖2 室溫下基于磁振子力矩的信息寫入

圖3 室溫下原位非易失性電壓調控磁振子力矩

圖4 基于多鐵性磁振子力矩的可重構邏輯存儲器

該論文清華大學集成電路學院副教授南天翔、材料學院副教授易迪和教授林元華為通訊作者，清華大學集成電路學院博士后柴亞紅、博士后梁宇晗、2022級博士生肖燦誠為論文共同第一作者。其他重要合作者還包括清華大學集成電路學院教授吳華強、副教授唐建石，材料學院教授谷林、副教授馬靜，物理系教授于浦、副教授江萬軍，高等研究院博士后李博，中國科學院物理所副研究員張慶華等。