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

但近年來，一方面，尺寸微縮導(dǎo)致的晶體管漏電問題越來越嚴(yán)重，在增大存儲器功耗的同時，惡化了存儲單元的保持特性，存儲器的發(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)展又對存儲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存取存儲器(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，可提高系統(tǒng)的整體性能，因此，嵌入式鐵電隨機存取存儲在近年來備受關(guān)注。

近日，北京大學(xué)公開了一項名為“一種鐵電隨機存取存儲器陣列及其控制方法”的專利，公開號CN117672288A，申請時間為2023年12月15日。

該據(jù)國家知識產(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存取存儲器陣列及其控制方法，屬于半導(dǎo)體存儲器技術(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，由存儲單元沿橫向、縱向重復(fù)排列成矩陣結(jié)構(gòu)；存儲單元包括一個晶體管和一個鐵電電容器，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)明還提供了對該鐵電隨機存取存儲器陣列進行數(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)計方法，可以在不犧牲讀出時間與讀出窗口的前提下，增大鐵電隨機存取存儲器陣列的規(guī)模。


我國成功研發(fā)超級光盤

近日，我國科學(xué)家在光存儲技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了里程碑式的跨越，成功研發(fā)出“超級光盤”，并在全球范圍內(nèi)首次實現(xiàn)了PB（PetaByte，千萬億字節(jié)）量級的光存儲能力，標(biāo)志著我國在這一關(guān)鍵技術(shù)上占據(jù)了世界領(lǐng)先地位。

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

相比于我們常見的CD、DVD或者藍(lán)光光盤，這款“超級光盤”的存儲容量達(dá)到了令人驚嘆的程度——1PB相當(dāng)于100萬GB，這是一個足以存儲海量數(shù)據(jù)的天文數(shù)字，比普通光盤的存儲容量提升了上萬倍，甚至超過了普通硬盤數(shù)百倍。這意味著在未來，一個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，極大地拓展了信息存儲的可能性。

“超級光盤”的創(chuàng)新之處在于采用了先進的雙光束調(diào)控聚集誘導(dǎo)發(fā)光超分辨光存儲技術(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，而且在讀取時也能夠?qū)崿F(xiàn)超分辨，確保了存儲信息的準(zhǔn)確無誤和高效訪問。

此外，這項技術(shù)還具有綠色環(huán)保、能耗低的特點，符合未來數(shù)據(jù)中心對低碳環(huán)保、節(jié)能高效的要求，對于推動我國乃至全球數(shù)字經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。隨著“超級光盤”技術(shù)的成熟和應(yīng)用推廣，有望重塑數(shù)據(jù)存儲格局，助力大數(shù)據(jù)時代的信息留存與傳播，進一步提升我國在全球科技競爭中的地位。


數(shù)據(jù)存儲技術(shù)進化趨勢

2030年人類將進入YB數(shù)據(jù)時代，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10倍、人工智能算力將增長500倍。在存儲容量方面，目前一些高端閃存卡的存儲容量已經(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在閃存市場中具有舉足輕重的地位，隨著NAND Flash存儲原廠的產(chǎn)品生產(chǎn)工藝不斷更新發(fā)展，存儲晶圓工藝制程、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，市場存儲密度的供給呈現(xiàn)出較快的增長速度。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存儲容量一直保持增長，從2017年的1620億GB增長至2020年的5300億GB，年均復(fù)合增長率達(dá)35.38%。

”信息爆炸“時代對數(shù)據(jù)存力帶來了巨大考驗，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；存儲設(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，未來存儲將會以非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為主，SSD閃存為主要存儲介質(zhì)，并向分布式存儲架構(gòu)、云存儲、DNA存儲、納米存儲、存算一體等方向發(fā)展。

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

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