Only Perception: 迅速變化的材料突破電腦的矽速度限制

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