次世代記憶體突破：100億次讀寫循環

中國的一個研究團隊表示，他們已破解鐵電記憶體邁向量產的最大障礙之一：材料磨損太快。他們本週描述的修復方案，讓一個原型元件突破100億次讀寫循環——大約是早期版本壽命的100倍。

鐵電記憶體將資料儲存在材料內部原子級電極化的方向上。可以把它想像成用可以來回翻轉的微小箭頭來寫入資訊。由於即使斷電資料仍能保存，這項技術是次世代非揮發性記憶體的候選者——這種記憶體能讓檔案保持完整而不耗盡電池，不像當今大多數電腦使用的DRAM。

領先的材料家族——氮化鋁鈧——屬於一種稱為纖鋅礦的晶體類別。它有兩個賣點：內部結構高度有序，而且能與製造電腦晶片既有的設備良好配合。這種相容性極其重要。需要全新工廠的記憶體技術很難推銷；能嵌入現有產線的技術對製造商來說吸引力大得多。

但有個問題。在完全極化切換下，也就是寫入和抹除資料所需的反覆翻轉，元件通常在大約1億次循環後就失效——遠低於商業儲存所需。這項新研究由西安電子科技大學、香港城市大學和復旦大學合作完成，將失效歸因於氮空位：缺失的原子隨時間破壞材料有序的晶格。團隊提出的補救方案使用圍繞這些空位建構的拓撲穩定方案，將衰變的來源轉化為結構錨點。

結果是宣稱超過100億次循環的耐久性。實際上，這就是實驗室好奇心與能在手機、筆電或資料中心經受多年日常使用的元件之間的差別。研究人員表示，這種方法讓材料保持與標準晶片製造相容，可能縮短從論文到產品的路程。

這項研究問世之際，全球對記憶體的興趣正濃。人工智慧模型對快速儲存如飢似渴，資料中心正努力跟上。既快速又節省的非揮發性記憶體可以緩解這種壓力，讓裝置能隨身保留更多資料而不必持續耗電。它也可能幫助邊緣裝置——感測器、穿戴式裝置和小型機器人——這些需要在微小電池上運行時記住事情。

仍有許多問題。實驗室耐久性數據不總是能轉化為製造良率，而將新材料擴展到數十億個相同單元本身就是一項挑戰。但方向是明確的。多年來，鐵電記憶體被形容為前景可期，卻永遠還要五年。透過針對導致早期失效的特定缺陷，這項研究提供了具體理由，讓人相信這個時間表終於可能正在縮短。

這些發現為中國在先進材料和半導體研究領域日益增長的足跡再添一筆，大學和國家實驗室在該領域投入了大量資源。如果耐久性問題真的解決了，回報可能不是以循環次數來衡量，而是以那些不再需要遺忘的裝置來衡量。