2014-09-23

迅速變化的材料突破電腦的矽速度限制

Quick-change materials break the silicon speed limit for computers
http://phys.org/news/2014-09-quick-change-materials-silicon-limit.html

2014.09.19

(Phys.org) -- 如果把矽以一種能在不同電氣狀態間來回切換的材料取而代之,那麼將有可能出現更快、更小的電腦,其資訊處理速度將比目前機種還要快 1000 倍。

若以「相變化材料(phase-change materials,PCMs)」來取代矽,將克服目前電腦處理器與記憶體的尺寸與速度限制。這種 PCMs 在幾十億分之一秒內,可在電氣狀態不同的二種結構相(structural phases)之間進行可逆的切換,分別是導電的結晶態(crystalline)與絕緣的玻璃態(glassy)。

基於 PCM 裝置的塑模與測試已經證明,邏輯處理操作能在非揮發 memory cells 中利用獨特的「超短電壓脈衝組合」進行,那對於矽基裝置來說是不可能的事。

在這些新裝置中,邏輯操作與記憶在同處(co-located)進行而不是像矽基電腦那樣分開處理。這些材料最終將使處理速度比目前一般筆電快 500 到 1000 倍,且耗電更少。這些研究結果發表在 PNAS 期刊上。

這些處理器由劍橋大學、Singapore A*STAR Data-Storage Institute、新加坡科技設計大學的研究者所設計,利用一種基於硫族化合物玻璃(chalcogenide glass)的 PCM,利用適當電壓脈衝,那能在半奈秒(十億分之一秒)融化與再結晶(recrystallized)。

絕大部分電腦、行動電話與平板所進行的計算是由矽基邏輯裝置所完成。用於儲存這些計算結果的固態記憶體也是基於矽。"然而,隨著「更快速的電腦」的需求持續增加,我們將很快到達矽的能力極限," 劍橋化學系的 Professor Stephen Elliott 表示,他領導此研究。

先前,增加電腦運算力的主要方法是增加邏輯裝置的數量,而那些邏輯裝置則被塞入尺寸愈來愈小的裝置中,但是目前裝置結構的物理極限,意味著很快就無法再以這種方式繼續下去。

當前,基於矽、最小的邏輯與記憶裝置,尺寸約 20 奈米 -- 約比人類頭髮細 4000 倍 -- 而且被建構在不同分層中。當裝置被做的更小,以便增加它們在晶片中的數量時,各分層間的間隙將會過小,以至於儲存在快閃非揮發記憶裝置某些區域內的電子將會穿出裝置(量子穿隧效應),導致資料損失。PCM 裝置可克服這種尺寸縮小的限制,因為它們經過證明,在大約 2 奈米的大小下依然可用。

要增加處理速度而不用增加邏輯裝置數量的另一種方法是,增加每個裝置所能完成的計算數量,那用矽不可能辦到,不過研究者已證明,PCM 邏輯/記憶裝置可完成多重計算。

PCMs 在 1960 年代被開發出來,當初被用於光學記憶裝置中,例如可抹寫 DVD。現在,它們開始被用在電子記憶應用中,而且在某些智慧型手機的製造中,已開始取代矽基快閃記憶體。

最近有人證明,PCM 裝置要完成記憶體內邏輯計算確實有些短處:目前,它們不能像矽那樣以相同的速度完成計算,且在非晶相(amorphous phase)開始時缺乏穩定性。

不過,劍橋與新加坡研究者發現,以相反方式進行邏輯操作 -- 從結晶相開始,接著融化 cell 中的 PCMs 以完成邏輯操作 -- 這種材料變得更加穩定,而且能以更快速度進行操作。

現有 PCMs 的固有切換,或稱「結晶化」速度 -- 大約十奈秒,使得它們適合取代快閃記憶體。藉由將速度更進一步提昇,一直到少於一奈秒的程度(如劍橋與新加坡團隊在 2012 年所證明的),有朝一日將能用非揮發性的 PCM 取代 DRAM,那需要持續不斷地被更新。

在矽基系統中,資訊到處滑移(shuffled),耗時也耗電。"理想情況下,我們希望資訊能在同一處產生與儲存," 新加坡科技設計大學的 Dr Desmond Loke 表示,論文的第一作者。"矽是暫態的(transient):資訊產生、通過然後被儲存到某個地方。但利用 PCM 邏輯裝置,資訊就待在它被產生之處。"

"最終,我們所想要做的是,將電腦中的 DRAM 與邏輯處理器以基於 PCM 的非揮發裝置取代," Professor Elliott 表示。"但要達到那個目標,我們需要將切換速度達到一奈秒。目前,更新 DRAM 整體來說要耗損大量能源,成本很高,無論對錢或是環境來說。更快的 PCM 切換時間,將大幅漸少這種情況,最後導致電腦不只是快,還更「綠」。"

※ 相關報導:

* Ultrafast phase-change logic device driven by melting processes
http://www.pnas.org/content/111/37/13272.abstract
Desmond Loke, Jonathan M. Skelton, Wei-Jie Wang, Tae-Hoon Lee, Rong Zhao, Tow-Chong Chong, and Stephen R. Elliott
PNAS September 16, 2014 vol. 111 no. 37 13272-13277
doi: 10.1073/pnas.1407633111
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