أجهزة الذاكرة المتكاملة مع الترانزستورات المنطقية
يعمل الباحثون باستمرار على تحسين أداء الكمبيوتر من خلال تطوير السرعة والكفاءة. ومع ذلك، فإن دمج أجهزة الذاكرة مع الترانزستورات المنطقية في أجهزة الكمبيوتر قد شكل تحديات. أكدت الدراسات السابقة على نوع معين من أجهزة الذاكرة المعروفة باسم ترانزستورات تأثير المجال الكهروضوئي (FE-FETs). على الرغم من قدرة أجهزة الذاكرة هذه على تلبية الاحتياجات المتطورة لأنظمة الكمبيوتر، فقد ثبت أن تحقيق الحجم الصغير والسرعة العالية وكفاءة استخدام الطاقة يمثل مهمة معقدة.
تقدم الورقة البحثية بعنوان “ترانزستورات تأثير المجال الكهروضوئي ذات القناة ثنائية الأبعاد AlScN المتوافقة مع نهاية الخط CMOS القابلة للتطوير” نهجًا جديدًا يتضمن استخدام 2D MoS2 القنوات والمواد الكهروضوئية AIScN، والتي يمكن إنتاجها من خلال عمليات واسعة النطاق. السمات البارزة لـ FE-FET هي نوافذ الذاكرة الكبيرة ونسب التشغيل/الإيقاف العالية والكثافة القوية للتيار.
ستناقش هذه المقالة العوامل الدافعة وراء هذا البحث، وستوفر سياقًا لهذه المنهجية المبتكرة وتفحص النتائج التي تم تحقيقها من خلال هذه الجهود البحثية. كما أجرى الباحثون سلسلة من التجارب لتقييم خصائص جهاز الذاكرة المقترح، كما هو مفصل في الورقة البحثية المتوفرة في مجلة Nature.
الدافع وراء البحث
مع التوسع في البيانات الناتجة عن الأجهزة الطرفية وأجهزة الاستشعار، هناك طلب على حلول تخزين البيانات ومعالجتها التي تتميز بالسرعة العالية والكفاءة في استخدام الطاقة.
ومع ذلك، في الحوسبة التقليدية التي تركز على المعالج، تظهر التحديات بسبب اختناقات البيانات وعدم الكفاءة الناشئة عن اختلاف المسافات والسرعات التي تصل بها نوى المعالج إلى مستويات مختلفة من الذاكرة. وقد ظهرت بنية جديدة للحوسبة في الذاكرة لمعالجة هذه المشكلات، وتتميز بمكونات ذاكرة مكدسة رأسيًا ومكتظة بكثافة ومتكاملة بشكل وثيق.
إن مفتاح نجاح هذا النهج هو وجود جهاز ذاكرة سريع وموثوق ومنخفض الطاقة يمكن دمجه بسهولة مع المعالجات دون أن يشغل مساحة كبيرة. يُسمى هذا النوع من أجهزة الذاكرة بالذاكرة غير المتطايرة (NVM). من المهم أن يكون جهاز الذاكرة هذا متوافقًا مع العمليات الخلفية للكمبيوتر، والمعروفة باسم المعالجة الخلفية للسطر.
في البحث، يقترح العلماء التكامل ثلاثي الأبعاد لجهاز NVM هذا مع المعالجات القائمة على السيليكون (منطق CMOS). يعمل هذا التكامل على تقريب الذاكرة من وحدة المعالجة، ويساعد على تقليل اختناقات البيانات ويسمح بتكامل أعلى للمكونات على شريحة واحدة.
اختيار المادة المناسبة
في البداية، اكتشف الباحثون مادة متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف تسمى Hfسزر1–xيا2 (HZO)، والتي أظهرت نتائج واعدة ولكن كان لها العديد من القيود. ومع ذلك، فقد وجدوا لاحقًا مادة جديدة تسمى نيتريد سكانديوم الألومنيوم (AlScN)، والتي تتمتع بخصائص متفوقة، مثل استقطاب البقايا العالية. وهذا يعني أن مادة AlScN يمكنها الاحتفاظ بالبيانات بأقل استهلاك للطاقة. علاوة على ذلك، يمكن زراعته في درجات حرارة متوافقة مع المعالجات الخلفية، مما يجعله خيارًا جيدًا للتكامل مع التكنولوجيا الحالية.
يعرض AlScN خصائص مختلفة، بما في ذلك ثابت العزل الكهربائي المنخفض الذي يحمل أهمية لتطبيقات محددة. كما أنه يعرض استقرارًا حراريًا جيدًا، مما يتيح التشغيل الفعال حتى في ظل درجات الحرارة المرتفعة.
يوجد AIScN بشكل طبيعي في حالة متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف، وهي صفة متأصلة لا يشاركها HZO، والتي تتطلب معالجة متخصصة للتحول الكهروضوئي. على العكس من ذلك، يقدم HZO مراحل مختلفة، مع فقط المرحلتين المعينيتين المعينيتين اللتين تظهران خصائص متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف. ونتيجة لذلك، فإن تحقيق التكوين متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف المطلوب في HZO يتطلب عمليات دقيقة بعد التلدين.
قام الباحثون بدمج طبقة رقيقة من AlScN مع طبقة أحادية رقيقة جدًا من MoS2. هذا التكامل بين AlScN وMoS2 يجلب العديد من الفوائد في تصميم FE-FETs. وزارة الاتصالات2 يساهم في إدارة التيارات الكهربائية العالية بكفاءة، وهي ميزة مهمة. علاوة على ذلك، موس2 يعالج تحديات محددة نموذجية للأجهزة الصغيرة، مما يؤدي في النهاية إلى تحسين أداء الجهاز وموثوقيته.
المساهمات من خلال البحث
هناك ثلاثة تطورات من خلال العمل الذي قام به الباحثون:
- لقد نجحوا في إيجاد طريقة لتنظيم سعة الذاكرة والجهد المطلوب لتشغيل الذاكرة وإيقافها. يؤدي هذا إلى محاذاة الجهاز بشكل أوثق مع ذاكرة الفلاش التقليدية المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر.
- لقد تمكنوا من تقليل حجم جهاز الذاكرة، وتحقيق أطوال قنوات صغيرة تصل إلى 78 نانومتر، كل ذلك مع الحفاظ على نسبة عالية بين كمية التيار الذي يتدفق عندما يكون الجهاز في وضع التشغيل مقارنة به عندما يكون متوقفًا عن العمل.
- وأثبت البحث أن أجهزة الذاكرة هذه يمكنها الاحتفاظ بالمعلومات دون فقدانها لفترة طويلة تصل إلى 10 سنوات. علاوة على ذلك، تظهر هذه الأجهزة مرونة قوية ضد العديد من دورات القراءة والكتابة دون أن تتآكل. ويمكنها تخزين المعلومات باستخدام 4 بتات، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات الذكاء الاصطناعي.
ومن خلال سلسلة من التجارب، قام الباحثون بفحص سلوك مادة AIScN ضمن ظروف محددة. تركزت أبحاثهم حول خاصية مهمة لأجهزة الذاكرة: المقاومة الناجمة عن نبض الجهد وتبديل الجهد العتبي. ومن خلال تنظيم كل من سعة ومدة نبضات الجهد، تمكنوا من تبديل المجالات الكهروضوئية جزئيًا أسفل قناة أجهزة الذاكرة.
يعد هذا التبديل الجزئي أمرًا بالغ الأهمية للعمليات متعددة البت، مما يسهل تخزين أكثر من قطعة واحدة من البيانات داخل كل خلية ذاكرة. تتيح هذه العملية متعددة البتات أيضًا زيادة كثافة تخزين البيانات، وهو جانب أساسي من تقنيات الذاكرة الحديثة. أثبت فريق البحث بنجاح تشغيل 2 بت في أجهزة الذاكرة FE-FET الخاصة بهم، مما يسمح بتخزين أربع حالات ذاكرة في كل خلية مع اختلاف صغير نسبيًا بين الأجهزة المقاسة. يعد هذا التوحيد أمرًا بالغ الأهمية لضمان تكنولوجيا ذاكرة متعددة البت موثوقة وقابلة للتطوير.
ويعتقد الباحثون أن هذه التكنولوجيا يمكن أن تؤدي إلى تطوير ذاكرة ثنائية الأبعاد عالية الأداء وقابلة للتطوير والتي تعمل بشكل جيد مع المواد الكهروضوئية. بالإضافة إلى ذلك، يعتقدون أن أجهزة الذاكرة هذه يمكن أن تحل محل ذاكرة الفلاش في المستقبل وتمكن من تطوير NVM سريع وفعال على رقائق السيليكون.
اكتشاف المزيد من موقع 5 كيلو
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
