人工智能(Al)、大数据分析和超级计算的快速发展，需要基于诺曼架构的计算系统发生根本性的变化。该架构的特点是处理和存储单元是分离的，它们之间跨带宽限制的通信和能源效率低的连接构成了数据变换的瓶颈，导致40%的电力浪费。2019年10月11日，深圳大学饶峰、西安交通大学张伟和美国约翰霍普金斯大学Evan Ma作为共同通讯作者，在世界顶级期刊Science发表题为“Phase-change heterostructure enables ultralow noise and drift for memory operation”研究论文。该研究在面向高精度神经元计算应用的相变存储材料与器件设备领域获得重要进展。

深圳大学是该文章的第一通讯单位，饶峰作为该文章的第一通讯作者受邀在Science上发表题为“The Promise of phase-change materials”的评论文章。饶峰教授表示这一研究成果揭示了相变存储材料高温高速晶体化且低温数据非易失特性的物理本质，为设计性能更为优良的新型相变材料提供了实验检验武器；有助于加快发展基于PCRAM的高性能通用型存储器与类脑神经元计算器件。

饶峰教授，图片来源：深圳大学

研究预览：人工智能和其他数据密集型应用程序增加了对数据存储和处理的需求。新的计算设备如基于神经的相位变化随机存取存储器(PCRAM)的设备，是通过在存储单元中统一存储和计算来打破冯·诺依曼障碍的有前途的选择。

然而，目前的PCRAM器件在电阻方面有相当大的噪声和漂移，会侵蚀这些器件的精度和一致性。该团队设计了一个由交替堆叠的相变和限制纳米层组成的相变异质结构(PCH)，以抑制噪声和漂移，允许可靠的迭代RESET和累积SET，用于高性能的神经启发计算。该团队的PCH架构既没有复杂的制造过程，也没有大幅增加制造成本，适合作为工业生产的固有材料解决方案，具有广阔的应用前景。

基于随机存取存储器(PCRAM) 的硫化物相变材料(PCMs)，作为存储器市场上的存储类存储器(SCM)，可以在一定程度上缓解动态随机存取存储器(DRAM)与基于闪存的固态硬盘(SSD)之间的性能失配。但是，为了彻底打破前面提到的瓶颈，需要追求非冯诺伊曼计算架构，它将记忆细胞中计算与存储相结合如神经启发的计算系统。为实现这一新的计算形式，电阻记忆如PCRAM是一个很有前途的选择，这就需要PCRAM的性能有一个较高的标准。

图一：材料设计

目前使用Ge2zSb2Te5 (GST)的PCRAM产品作为内存编程的核心材料。数字信息是通过GST的晶相和不定形之间的可逆转换进行编码的。不受约束的三维相变、结晶(SET操作过程)和熔融淬火(重调过程)在广泛的循环过程中会引起成分偏差和结构变化。这导致了设置(晶体)和复位(非晶)状态的大幅波动。

在非晶态GST中也会发生结构弛豫，导致电阻随时间在环境温度下不断增加，称为电阻漂移(17)。对于二元存储，这些噪声和漂移问题不是关键，因为非晶和晶状GST之间的电阻对比度超过两个数量级，而且在任何时候都可以清楚地区分。然而，当涉及到像内存计算、深度神经网络和尖峰神经网络等受神经启发的计算的实现时，小区间内和区与区之间的强大变异性就成为一个巨大的挑战。

图二：相变异质结PCH器件准二位相变与抑制组分析

包括mixed-precision内存计算方案、相变存储器方案和multi-PCRAM电池方案在内的设备进步来解决这一技术挑战,在向量矩阵multiplica、模式识别、时间相关检测和其他机器学习任务引起了很多性能改进，如速度加快、节省能源等。

然而，这些补救措施(1)主要是提高复位方面,不能解决随机性问题与机器学习任务的集合操作要求。(2)复杂芯片/系统架构和固有的工作模式,阻碍其集成到批量生产的芯片。(3)在很大程度上从设备安装/连接的外在帮助。因此，改善每一个PCRAM单元的解决方案来一个迫切的需要。该团队提出并演示了一种相变异质结构(PCH)，同时解决了所有这些关键问题，为高开辟了一条不同的道路。

图三：相变异质结PCH器件阻值漂移

该团队发现设计的PCH架构装置低漂移的两个原因。首先，与类似的GeTe和GST的相关的PCMs相比，在PCH的无定形Sb2Te3中呈现出简化的化学键合和结构基元，。在非晶态的GeTe和GST中，电阻漂移主要是由于四面体Ge基序等结构缺陷含量的减少和(非晶态的)八面体基序畸变的增强引起的。在非晶Sb2Te3中，Ge和四面体缺陷都不存在，因此消除了结构松弛的驱动力之一。正如DFMD计算所证实的那样，这种情况对散装和PCH的非晶Sb2Te3都适用。

其次，由于纳米尺寸的影响，PCH限制了结构松弛。根据文献记载，纳米级的容器壁可以减缓过冷金属液体的动力，从而限制了容器壁附近的结构松弛。同样，过冷Sb2Te3液体的原子扩散曲线在接近TiTe2沃尔斯时迅速衰减。在沃尔斯和附近的Te-Sb-Te成键对之间的Te-Te反键作用阻碍了佩尔斯变形对沃尔斯的增强。事实上，在将PCH模型降低到O K时，在这两个子层之间始终可以发现明显的间隙。

在循环耐力方面，高偏置电压脉冲的大周期将触发Sb (Ge)和Te元素在相反(垂直)方向上的长距离原子迁移，导致元素偏析和底部电极附近的空洞形成。PCH器件的循环耐力约为2x109，比具有相同几何形状的GST器件的-1x106 多3个数量级。我们将延长的循环寿命用在更小的偏置/能量上，以满足PCH装置快速编程的需要，并有效地减少了沿脉冲方向的长距离元素扩散的可能性。我们的PCH架构所提供的内部材料创新应该很容易地与其他外部设备和编程策略集成。

图四：SET速率与循环耐力曲线

研究结果：该团队展示了一种创新的PCH架构设计，它比传统的PCRAM设备提供了更多的性能优势，特别是在电阻状态下大幅降低了噪音和漂移。这些性能优势源于在相变周期中被抑制的成分和结构的变化，并使控制良好的迭代RESET和累积SET成为可能。因多层沉积不会显著增加制造成本或者需要复杂的制备过程，PCH架构设计方法适用于工业生产，特别是其相对容易地被纳入到如高性能的神经启发计算等的先进的设备设置。

此外，该团队的发现为具有稳定的多级存储容量的非易失性类DRAM记忆打开了大门。除了在内存和计算方面的潜在应用外，许多二维过渡金属双卤族化合物在拓扑上是非平凡的，其中碲化锑是典型的拓扑绝缘体。这些纳米层交替叠加形成异质结构可能会导致新的物理现象，是非常值得探索的领域。

DOI：10.1126/science.aay0291