原创 铁酸铋原型存储设备：速度比RAM快一万倍

　　在现代的计算机内存技术里，速度和存储的持久性犹如鱼与熊掌不可兼得。RAM（随机访问存储）速度快，但是东西存放不久；硬盘或闪存则相反，东西可以存放很久，但是访问速度相对较慢。不过《自然通讯》近日介绍的一种原型存储设备却打破了这种限制，这种设备通过电子存储及与太阳能电池相同的读取技术的结合，实现了访问速度快、数据存放久及耗电低这三大优点。

　　这项原型设备由加州大学伯克利分校的材料科学家 Ramamoorthy Ramesh 以及新加坡南洋大学的氧化材料专家 Junling Wang 联合建造，他们采用的材料名为铁酸铋。

　　传统的计算机内存中，信息是存放在保持有不同数量电荷的单元里的，每一个分别代表了二进制的“1”或“0”。相比之下，铁酸铋却用两种极化状态之一来表示那些数位，而且在电压加载时进行状态切换，这种特性被称为铁电性。基于其他材料的具有铁电性的 RAM 已经投放市场了。这种 RAM 速度很快，但是应用却没有得到推广。其中一个问题是电信号往往读出一个二进制位就得删掉一位，所以数据每次都要重写。随着时间的推移这会导致可靠性的问题。

　　两位研究人员意识到他们可以利用铁酸铋的另一项优点来避免破坏性的内存读取。2009 年，美国罗格斯大学的研究人员演示了这种材料对于可见光具有光电响应特性—即只要有光照到这种材料上它就会产生电压。电压的大小取决于材料所处的极化状态，而且可以利用电极或晶体管读取。至关重要的是，这种材料被光照射后并不会改变极性，所以存放在上面的数据也就不会被删除掉。

 

　　为了测试光电型铁电存储器是否行得通，Ramesh 和 Wang 在金属氧化物表面上镀了一层铁酸铋膜，然后将其蚀刻为 4 条，在这四条蚀刻条上面他们又直角交叉搭上四根金属条。交叉出来的 16 个方格每一个都充当了一个内存单元，而金属和金属氧化物则充当电极。研究小组利用电极来极化这些内存单元，然后用光线照射它们，结果发现它们生成了两种电压读数，一正（1）一负（0）。

　　这些内存单元的读写用时不到 10 纳秒，而记录这些数据的电压只需 3 伏。相对而言，目前领先的非易失性 RAM 技术—闪存的读写时间是其 10000 倍，而记录所需电压为 15V。

　　变小

　　主持罗格斯大学 2009 年那项研究的凝聚态物理学家 Sang-Wook Cheong 说，这是铁电广生伏打效应朝着技术应用迈出的重要一步。

　　半导体研究公司的材料专家 Victor Zhirnov 则说，这项技术需要在小型化上取得更大突破才能具有竞争性。商用闪存的组件可以小至 22 毫微米，而这款原型所用的材料却有 10 微米之宽。唯有把尺寸做小才能提高内存容量，从而降低造价。

　　Ramesh 说，把原型设备做小不存在根本性的障碍，但是实践性挑战是有的。

　　此外，目前原型设备是整体照射的，这种做法显然缺乏实用。但是设计出能逐个照射内存单元的系统是件麻烦事。因此工程师必须想办法设计出可以单独照射内存单元的光学组件。