随着万物智联时代的到来，人工智能、智能汽车等新兴应用场景对存储提出了更高的性能要求。我国当前正在大力发展存储产业，除了在传统存储器上努力实现追赶，也在提前布局新型存储器，这将是未来存储产业生态的重要部分。
“铁电存储器具有高速、低功耗、高可靠性的优点，成为下一代非挥发性存储器的有力竞争者之一。”在日前举行的2021年北京地区广受关注学术成果报告会(集成电路领域)上，中国科学院微电子研究所副研究员罗庆告诉科技日报记者，传统的铁电材料与标准的CMOS工艺兼容性和尺寸微缩难的问题一直制约着铁电存储器的发展，HfO2基铁电材料的发现，开启了铁电存储器研究的新时代。
铁电存储器升级迭代
“计算机的存储架构分成非常复杂的存储层级，从缓存到内存再到固态硬盘。”据罗庆介绍，在很长一段时间里，这样的存储体系是不会影响到整体运行速度的，但是随着CPU运算速度的不断提高，复杂存储器层级导致数据不断进行搬运，复杂的存储层级其实已经变成了制约整个系统性能提升的主要的限制因素。
在他看来，构成复杂存储层级的根本原因是当前的主流存储器依旧是传统存储模式——都是采取电荷存储方式，这种机理就直接导致了速度和非易失是一个矛盾的关系。
铁电存储器的研究始于上个世纪50年代，铁电材料则在上个世纪20年代就有已经开始，90年代逐渐开始商用。如今，随着工艺水平的提升，如何继续微缩遭遇技术瓶颈。被称为“第三代铁电存储材料”的铁电HfO2让这个事情找到了一个新的解决方案。
“新型存储是未来存储产业生态重要部分，铁电存储方式理论上可以打破传统存储模式的瓶颈。”罗庆表示，铁电存储原理不同于DRAM和Flash，它是通过不对称的晶格结构来存储0和1的。HfO2基铁电存储器相比传统铁电存储器具有显著的工艺优势，“体型”更小，密度更高。
“HfO2基铁电和传统铁电有着本质区别，高兼容性促使存储器密度可以做大。”罗庆进一步解释说，传统铁电存储器只能做小规模嵌入式应用，很大一个问题是缘于其非标工艺。HfO2基铁电几乎完美的解决了传统铁电这些问题。
应用爆发尚需时日
“铁电存储器的终端主要是小型IC卡、可穿戴的设备等。”罗庆坦言，HfO2基铁电存储器的商用还得等几年。“作为小容量可穿戴设备、物联网终端、或者某个SoC芯片的嵌入式应用，将在未来比较短的时间内落地，但是要替代DRAM或者Flash等主流存储器，还有很远的路要走。”
谈及制约HfO2基铁电器件应用落地的主要障碍，罗庆总结，一方面缺乏来自企业的研发和投入，如果企业能够加大投入，FRAM(铁电随机存储器)小规模应用指日可待;另一方面，FeFET(铁电晶体管)的可靠性仍需优化，这也是面向高密度应用必须要解决的问题。
令罗庆焦急的是，“存储到目前为止，还是依赖进口。在新型存储器科研领域，我们并不落后于国外，甚至在某些细分领域还处在领先地位。若想拥有自主产权，还需产业界加大投入，产业界和学术界协同配合，共同发力。”
对于团队今后的研究重点，罗庆表示，近两年将致力于HfO2基铁电的机理研究;并且加强与产业界的合作，实现FRAM存储芯片的功能演示，希望能推动FRAM尽快走向应用。
(朱丽)
