存儲(chǔ)器是電子信息處理系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。在過(guò)去，依靠CMOS工藝的不斷進(jìn)步，存儲(chǔ)器的性能得以不斷提高。

但近年來(lái)，一方面，尺寸微縮導(dǎo)致的晶體管漏電問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，在增大存儲(chǔ)器功耗的同時(shí)，惡化了存儲(chǔ)單元的保持特性，存儲(chǔ)器的發(fā)展遇到較為明顯的瓶頸；另一方面，人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的快速發(fā)展又對(duì)存儲(chǔ)器的容量速度以及功耗等性能指標(biāo)提出了更高的要求。

在這樣的背景下，由于嵌入式鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Embedded Ferroelectric Random Access Memory，eFeRAM)具有非易失、高密度、低功耗以及讀取速度快等特點(diǎn)，可提高系統(tǒng)的整體性能，因此，嵌入式鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)在近年來(lái)備受關(guān)注。

近日，北京大學(xué)公開(kāi)了一項(xiàng)名為“一種鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器陣列及其控制方法”的專利，公開(kāi)號(hào)CN117672288A，申請(qǐng)時(shí)間為2023年12月15日。

該據(jù)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局公告的高專利摘要顯示，該發(fā)明提供了一種鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器陣列及其控制方法，屬于半導(dǎo)體存儲(chǔ)器技術(shù)領(lǐng)域。

該發(fā)明包括由基本陣列沿橫向、縱向重復(fù)排列而成的總體陣列，基本陣列包括存儲(chǔ)單元、字線、控制線、基本板線、總體板線、基本位線和總體位線，由存儲(chǔ)單元沿橫向、縱向重復(fù)排列成矩陣結(jié)構(gòu)；存儲(chǔ)單元包括一個(gè)晶體管和一個(gè)鐵電電容器，晶體管的柵極接字線、漏極接位線、源極接鐵電電容器上極板，鐵電電容器下極板接板線。

該發(fā)明還提供了對(duì)該鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器陣列進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入、數(shù)據(jù)讀出和數(shù)據(jù)重寫的控制方法。此外，該發(fā)明層次化的設(shè)計(jì)方法，可以在不犧牲讀出時(shí)間與讀出窗口的前提下，增大鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器陣列的規(guī)模。


我國(guó)成功研發(fā)超級(jí)光盤

近日，我國(guó)科學(xué)家在光存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了里程碑式的跨越，成功研發(fā)出“超級(jí)光盤”，并在全球范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了PB（PetaByte，千萬(wàn)億字節(jié)）量級(jí)的光存儲(chǔ)能力，標(biāo)志著我國(guó)在這一關(guān)鍵技術(shù)上占據(jù)了世界領(lǐng)先地位。

“超級(jí)光盤”的誕生，是我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)歷時(shí)數(shù)年的辛勤攻關(guān)的結(jié)果，由中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所攜手上海理工大學(xué)及其他科研機(jī)構(gòu)共同完成。這項(xiàng)技術(shù)突破的核心在于超大容量與超分辨三維光存儲(chǔ)技術(shù)的研發(fā)，它顛覆了傳統(tǒng)的二維光存儲(chǔ)模式，如同在微觀尺度上打造了一個(gè)立體的、超高密度的信息倉(cāng)庫(kù)。

相比于我們常見(jiàn)的CD、DVD或者藍(lán)光光盤，這款“超級(jí)光盤”的存儲(chǔ)容量達(dá)到了令人驚嘆的程度——1PB相當(dāng)于100萬(wàn)GB，這是一個(gè)足以存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)的天文數(shù)字，比普通光盤的存儲(chǔ)容量提升了上萬(wàn)倍，甚至超過(guò)了普通硬盤數(shù)百倍。這意味著在未來(lái)，一個(gè)看似普通的光盤就可以承載一座小型圖書館的所有文獻(xiàn)資料，或是一部高清電影數(shù)據(jù)庫(kù)，極大地拓展了信息存儲(chǔ)的可能性。

“超級(jí)光盤”的創(chuàng)新之處在于采用了先進(jìn)的雙光束調(diào)控聚集誘導(dǎo)發(fā)光超分辨光存儲(chǔ)技術(shù)，該技術(shù)使得信息不僅可以以極高的密度被刻錄在光盤介質(zhì)上，而且在讀取時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)超分辨，確保了存儲(chǔ)信息的準(zhǔn)確無(wú)誤和高效訪問(wèn)。

此外，這項(xiàng)技術(shù)還具有綠色環(huán)保、能耗低的特點(diǎn)，符合未來(lái)數(shù)據(jù)中心對(duì)低碳環(huán)保、節(jié)能高效的要求，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)乃至全球數(shù)字經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。隨著“超級(jí)光盤”技術(shù)的成熟和應(yīng)用推廣，有望重塑數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格局，助力大數(shù)據(jù)時(shí)代的信息留存與傳播，進(jìn)一步提升我國(guó)在全球科技競(jìng)爭(zhēng)中的地位。


數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)化趨勢(shì)

2030年人類將進(jìn)入YB數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)據(jù)量是2020年的23倍，全球連接數(shù)2000億，通用算力將增長(zhǎng)10倍、人工智能算力將增長(zhǎng)500倍。在存儲(chǔ)容量方面，目前一些高端閃存卡的存儲(chǔ)容量已經(jīng)達(dá)到了1TB，相當(dāng)于是32年前的10TB，而一些SSD的存儲(chǔ)容量更是高達(dá)數(shù)TB。在讀寫速度方面，目前一些高端的UHS-II SD卡可以提供高達(dá)300MB/s的讀取速度和260MB/s的寫入速度。此外，一些NVMe SSD的讀寫速度也可以達(dá)到數(shù)GB/s。

NAND Flash在閃存市場(chǎng)中具有舉足輕重的地位，隨著NAND Flash存儲(chǔ)原廠的產(chǎn)品生產(chǎn)工藝不斷更新發(fā)展，存儲(chǔ)晶圓工藝制程、電子單元密度、產(chǎn)品堆疊層數(shù)等經(jīng)歷了較大的技術(shù)更新，市場(chǎng)存儲(chǔ)密度的供給呈現(xiàn)出較快的增長(zhǎng)速度。根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院整理的數(shù)據(jù)顯示，全球NAND Flash存儲(chǔ)容量一直保持增長(zhǎng)，從2017年的1620億GB增長(zhǎng)至2020年的5300億GB，年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)35.38%。

”信息爆炸“時(shí)代對(duì)數(shù)據(jù)存力帶來(lái)了巨大考驗(yàn)，數(shù)據(jù)存力整體上面臨容量逐漸供應(yīng)短缺；利用效率低下，資源浪費(fèi)；存儲(chǔ)設(shè)施能耗壓力大；分布區(qū)域不均勻，發(fā)展不平衡等難題。因此，未來(lái)存儲(chǔ)將會(huì)以非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為主，SSD閃存為主要存儲(chǔ)介質(zhì)，并向分布式存儲(chǔ)架構(gòu)、云存儲(chǔ)、DNA存儲(chǔ)、納米存儲(chǔ)、存算一體等方向發(fā)展。

近年來(lái)，隨著云計(jì)算與人工智能應(yīng)用的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的流量不斷擴(kuò)大，數(shù)據(jù)處理速度慢和能耗高的問(wèn)題逐漸成為束縛計(jì)算性能發(fā)展的障礙。相對(duì)于CPU性能的提升，內(nèi)存的進(jìn)步則相對(duì)緩慢，從而導(dǎo)致存儲(chǔ)速度嚴(yán)重滯后，即“內(nèi)存墻”問(wèn)題。隨著多核處理器和大數(shù)據(jù)應(yīng)用的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)搬運(yùn)的需求大幅增加，為了解決“內(nèi)存墻”問(wèn)題，行業(yè)內(nèi)如SK海力士、美光科技等企業(yè)寄望于提高存儲(chǔ)器帶寬，因此高帶寬存儲(chǔ)技術(shù)（High-Bandwidth Memory，HBM）應(yīng)運(yùn)而生。

不同于傳統(tǒng)的2D DRAM，HBM技術(shù)采用3D堆疊的DRAM芯片，通過(guò)硅通孔（TSV）技術(shù)實(shí)現(xiàn)多層內(nèi)存的垂直互連，并且使用系統(tǒng)級(jí)封裝（SIP）技術(shù)將GPU和多個(gè)DRAM芯片緊密集成，這種設(shè)計(jì)方式極大提高了數(shù)據(jù)傳輸速度，并能在較小的物理空間內(nèi)提供更大的存儲(chǔ)容量和更高的帶寬，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更低的延遲和功耗。正因?yàn)槿绱耍琀BM技術(shù)被認(rèn)為是數(shù)據(jù)中心等高性能計(jì)算應(yīng)用的理想內(nèi)存解決方案。