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研究发现"相变材料" 可在0.5纳秒内快速切换

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核心提示:英国剑桥大学、新加坡数据存储研究所与新加坡技术和设计大学的科学家经过研究发现,用可以在不同电状态间快速来回切换的相变材料替代硅,他们有望研制出信息处理速度快1000倍且更小、更环保的计算机。

英国剑桥大学、新加坡数据存储研究所与新加坡技术和设计大学的科学家经过研究发现,用可以在不同电状态间快速来回切换相变材料替代硅,他们有望研制出信息处理速度快1000倍且更小、更环保的计算机。研究发表在最新一期的美国《国家科学院学报》上。

据美国《大众科学》网站近日报道,研究人员表示,这种基于硫化物玻璃的“相变材料(PCMs)”能在十亿分之一秒(0.5纳秒)内,在合适的电脉冲下,在晶体和导电状态与玻璃和绝缘状态之间,可逆地快速切换。在由这种材料制成的非易失性存储器单元内,逻辑操作和存储可在同一处进行,从而节省时间和能源;而在硅基计算机内,逻辑操作和存储在不同的地方进行。

目前,在大多数计算机、手机和平板电脑内,计算都由硅基逻辑设备进行,计算结果也由硅制成的固态存储器存储。以前,增加计算能力的主要方法是通过减少逻辑设备的大小来增加其数量,但这种方法很快会行不通,因为目前最小的硅基逻辑和存储设备约为20纳米,而且采用层级架构构造而成。为了增加芯片上设备的数量,这些设备被制造得越来越小,层与层之间的缝隙也变得越来越小,可能会使存储在非易失性存储器设备某些区域内的电子从缝隙中逃走,导致数据损失。而由相变材料制成的设备能克服这种限制,因为其已被证明能小到2纳米。

因此,为了在不增加逻辑设备数量的情况下提高处理速度,替代方法是增加每个设备能执行的计算数量,用硅根本无法做到这一点,而研究人员已经证明,相变材料逻辑/存储设备可以做到这一点。

相变材料首次于上世纪60年代研制而成,最初被用于光存储设备(比如可重写的DVD等)内,现在主要用于电存储领域且在某些智能手机内替代硅基闪存。尽管已被证明能执行逻辑计算,但这种相变材料也有缺陷:目前,它们的运算速度无法与硅相比,而且在初始的非结晶状态下不稳定。不过,研究人员在最新研究中发现,通过执行可逆的逻辑操作过程——从晶体状态开始,接着在单元内融化这种相变材料,再到执行逻辑操作,这种材料不仅可以变得更稳定而且能更快地执行操作。

该研究的领导者、剑桥大学化学学院的斯蒂芬·艾略特说:“我们希望用由相变材料制成的非易失性设备替代需要不断刷新而耗能费时的动态随机存储器(DRAM)和逻辑处理器,最终研制出运行速度更快且更环保的计算机。”(来源:《科技日报》 记者 刘霞)

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