當(dāng)今數(shù)據(jù)生產(chǎn)呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的馮·諾依曼計(jì)算架構(gòu)已成為未來(lái)繼續(xù)提升計(jì)算系統(tǒng)性能的主要技術(shù)障礙。相變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（PCRAM）可以結(jié)合存儲(chǔ)和計(jì)算功能，是突破馮·諾依曼計(jì)算構(gòu)架瓶頸的理想路徑選擇。它具有非易失性、編程速度快和循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。然而，PCRAM中相變材料與加熱電極之間的接觸面積較大，造成相變存儲(chǔ)器操作功耗較高，如何進(jìn)一步降低功耗成為相變存儲(chǔ)器未來(lái)發(fā)展面臨的最大挑戰(zhàn)之一。縮小加熱電極尺寸是降低功耗的關(guān)鍵。

石墨烯納米帶（GNR）是一種準(zhǔn)一維的石墨烯納米結(jié)構(gòu)，其具有超高載流能力（＞10⁹ A/cm²），且熱穩(wěn)定性高，可以用作相變存儲(chǔ)器的加熱電極。

中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員宋志棠、王浩敏組成聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，首次采用GNR邊緣接觸制備出目前世界上最小尺寸的相變存儲(chǔ)單元器件。7月18日，相關(guān)研究成果以《通過(guò)石墨烯納米帶邊界接觸實(shí)現(xiàn)相變存儲(chǔ)器編程功耗最小化》（Minimizing the programming power of phase change memory by using graphene nanoribbon edge-contact）為題，在線發(fā)表在《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）上。

研究團(tuán)隊(duì)采用石墨烯邊界作為刀片電極來(lái)接觸相變材料，可實(shí)現(xiàn)萬(wàn)次以上的循環(huán)壽命。當(dāng)GNR寬度降低至3 nm，其橫截面積為1 nm²，RESET電流降低為0.9 μA，寫入能耗低至~53.7 fJ。該功耗比目前最先進(jìn)制程制備的單元器件低近兩個(gè)數(shù)量級(jí)，幾乎是由碳納米管裂縫（CNT-gap）保持的原最小功耗世界紀(jì)錄的一半。同時(shí)，GNR作為加熱電極且充當(dāng)半導(dǎo)體溝道材料，可在2.5 MHz的時(shí)鐘頻率下實(shí)現(xiàn)D型觸發(fā)器的時(shí)序邏輯功能。

這是目前國(guó)際上首次采用GNR邊緣接觸實(shí)現(xiàn)極限尺寸的高性能相變存儲(chǔ)單元，器件尺寸接近相變存儲(chǔ)技術(shù)的縮放極限，實(shí)現(xiàn)了超低功耗、高編程速度、出色的高/低電阻比，并展現(xiàn)出良好穩(wěn)定性/耐用性。該新型相變存儲(chǔ)單元的成功研制代表了PCRAM在低功耗下執(zhí)行邏輯運(yùn)算的進(jìn)步，為未來(lái)內(nèi)存計(jì)算開辟了新的技術(shù)路徑。

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)等的支持。

圖1.采用GNR邊緣接觸制備出目前世界上最小尺寸的相變存儲(chǔ)單元器件（a）相變存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)示意圖；（b）功耗與接觸面積的關(guān)系。

圖2.器件循環(huán)壽命的偏壓極性依賴性。（a）測(cè)量設(shè)置示意圖；（b）~3 nm 寬 GNR 邊界電極相變存儲(chǔ)單元在不同電壓極性下的循環(huán)壽命。