Chiny: trwałość pamięci ferroelektrycznej zwiększona stukrotnie?

Zespół z Xidian University w Xi’an, współpracujący z City University of Hong Kong i Fudan University, opisał sposób zwiększenia odporności obiecującego typu pamięci półprzewodnikowej na wielokrotny zapis. W artykule opublikowanym 10 września w czasopiśmie „Science” badacze wykazali ponad 10 miliardów pełnych cykli przełączania w ferroelektrycznym materiale o strukturze wurcytu. To co najmniej stukrotna poprawa względem około 100 milionów cykli, po których podobne materiały zwykle traciły sprawność. Nie oznacza to jeszcze pojawienia się nowego, gotowego chipu na rynku. Badanie dotyczy materiału i urządzenia testowego. Pokazuje jednak, jak można rozwiązać jeden z problemów, które ograniczały rozwój pamięci ferroelektrycznej: uszkodzenia narastające w czasie kolejnych zapisów. Pamięć, która przechowuje zapisany stan bez zasilania Pamięć ferroelektryczna należy do pamięci nieulotnych. Oznacza to, że po odłączeniu zasilania może zachować zapisany stan, podobnie jak pamięć flash. Jej działanie opiera się jednak na innym zjawisku fizycznym. W bardzo cienkiej warstwie materiału dodatnie i ujemne ładunki można ustawić w jednym z dwóch przeciwnych kierunków. Taki układ nazywa się polaryzacją elektryczną. Jeden kierunek może oznaczać bit 0, a drugi bit 1. Zmiana bitu wymaga przyłożenia pola elektrycznego, które odwraca polaryzację. Materiał badany przez chiński zespół to azotek glinu ze skandem, zapisywany jako AlScN. Ma strukturę krystaliczną zwaną wurcytem. Materiał ten jest interesujący dla elektroniki, ponieważ może współpracować z procesami CMOS używanymi w produkcji współczesnych układów scalonych, a także znosi wysokie temperatury. Jednocześnie do odwrócenia jego polaryzacji potrzebne jest relatywnie silne pole elektryczne. Parametr Co oznacza Materiał aktywny Azotek glinu ze skandem, AlScN Rodzaj pamięci Nieulotna pamięć ferroelektryczna Poprzedni typowy poziom trwałości Około 100 mln pełnych cykli przełączania Wynik opisany w abstrakcie „Science” Ponad 10 mld cykli przy zachowaniu pełnego przełączania Kryterium pomiaru Polaryzacja resztkowa co najmniej 100 µC/cm² W praktyce liczba cykli jest miarą odporności pamięci na zapis. Każdy cykl oznacza zmianę stanu materiału pod wpływem pola elektrycznego. Im wyższa wartość, tym częściej komórka pamięci może zostać zapisana bez utraty czytelnego sygnału. Puste miejsca, które mogą stworzyć wyrwę w pamięci Powodem dotychczasowych ograniczeń były defekty w sieci krystalicznej. W idealnym układzie atomowym każde miejsce ma przypisany atom. Wakans azotowy to po prostu pozycja, w której powinien znajdować się atom azotu, lecz go brakuje. Pojedyncze wakansy nie muszą powodować awarii. Problem zaczyna się przy długiej serii zapisów. Zmieniane wielokrotnie pole elektryczne może przesuwać te defekty, skupiać je w jednym obszarze i łączyć w dłuższą “rysę” na cienkiej warstwie materiału. Gdy powstanie taka połączona ścieżka, elektrony mogą przepływać przez nią łatwiej, niż powinny. Rośnie prąd upływu, sygnał pamięci słabnie, a w skrajnym przypadku warstwa ulega trwałemu przebiciu. To właśnie zjawisko ograniczało liczbę możliwych zapisów. Badacze wykazali, że awarię napędzają dwa powiązane procesy: grupowanie wakansów azotowych oraz ich migracja na większą odległość. Praca nie skupia się więc tylko na zmniejszeniu liczby defektów, ale na kontroli tego, jak zachowują się one w trakcie pracy urządzenia. Warstwowe „przegrody” i impulsy odzyskujące sygnał Zespół zastosował dwa rozwiązania jednocześnie. Pierwsze jest konstrukcyjne. Zamiast jednolitej warstwy AlScN zbudowano superkratkę, czyli układ wielu bardzo cienkich warstw AlScN i AlN. Warstwy azotku glinu, AlN, utrudniają wakansom azotowym przemieszczanie się przez całą grubość materiału. Można porównać je do przegród w długim korytarzu. Defekt nadal może istnieć, lecz trudniej jest mu utworzyć nieprzerwany kanał przewodzenia od jednej elektrody do drugiej. Dzięki temu maleje ryzyko powstania prądu upływu i przebicia. Drugie rozwiązanie to dynamiczny protokół odzyskiwania. Podczas testów stosowano odpowiednio dobrane impulsy elektryczne, które miały rozproszyć lokalne skupiska wakansów i pomóc odzyskać polaryzację resztkową. Nie jest to naprawa zużytego układu w potocznym znaczeniu. Chodzi o sterowanie warunkami pracy tak, aby defekty nie układały się w niszczącą konfigurację. Badacze nie usunęli wszystkich defektów z kryształu. Ograniczyli im możliwość łączenia się w ścieżkę, która powoduje „wyciek” prądu i utratę pamięci. Co może z tego wyniknąć dla elektroniki? Trwalsza pamięć nieulotna mogłaby w przyszłości znaleźć zastosowanie w urządzeniach, które muszą często zapisywać dane, lecz nie mogą polegać wyłącznie na zasilaniu podtrzymującym zapis. Dotyczy to między innymi elektroniki brzegowej, czujników i układów, w których obliczenia odbywają się blisko miejsca przechowywania danych. Taka architektura jest rozważana także w kontekście układów dla sztucznej inteligencji. Przenoszenie danych między pamięcią a procesorem wymaga czasu i energii. Pamięć, która dłużej wytrzymuje kolejne zapisy, mogłaby ułatwić projektowanie układów ograniczających ten transfer. Jest to jednak perspektywa badawcza, a nie opis gotowego produktu. Przed wykorzystaniem technologii w seryjnych chipach trzeba jeszcze sprawdzić jej zachowanie na dużych waflach, jednorodność między komórkami, pobór energii przy przełączaniu, retencję danych oraz odporność w różnych temperaturach. Materiał AlScN wymaga ponadto silniejszego pola niż część innych ferroelektryków, co ma znaczenie dla zużycia energii i konstrukcji układu. Dlaczego w ogóle poruszamy ten temat? Badanie wpisuje się w szersze prace nad materiałami dla chińskich półprzewodników. Jego wartość nie sprowadza się wyłącznie do liczby cykli. Zespół opisał mechanizm uszkodzenia na poziomie defektów atomowych i zaproponował sposób, by go ograniczać. Takie zrozumienie procesu pozwala planować kolejne eksperymenty bardziej precyzyjnie niż metoda polegająca wyłącznie na testowaniu kolejnych składów materiału. Dla przyszłych pamięci ferroelektrycznych obok wysokiej trwałości liczyć się będą skala produkcji, koszt i łatwość połączenia z istniejącą elektroniką. Wynik zespołu z Xi’an nie przesądza o tym, która technologia pamięci trafi do powszechnego użycia. Dostarcza natomiast konkretnej metody rozwiązania problemu, który długo ograniczał materiały wurcytowe. Jest też przykładem ścisłego związku pomiędzy chińskim światem nauki a rynkiem technologicznym z jego bardzo konkretnymi potrzebami. Przedstawiamy ten przykład, bardzo przecież niszowy, by uświadomić Państwu w jak wielu kierunkach jednocześnie dokonuje się rozwój przeróżnych rozwiązań i technologii i jak mało na ten temat wiemy. Źródła: Jiwei / materiał Xidian University, „Science刊发！西电集成电路学部郝跃院士团队突破铁电存储器耐久极限”, 13 września 2026: https://ijiwei.com/n/1107079 Chińska Akademia Nauk, „纤锌矿铁电体研究取得进展”, 18 czerwca 2025: https://www.cas.cn/syky/202506/t20250617_5073568.shtml Wang Ruiqing i in., „Endurance beyond 10 billion cycles in wurtzite ferroelectrics by confining nitrogen vacancies”, „Science”, 10 września 2026: https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.aec7337 South China Morning Post, „Chinese researchers extend future memory endurance 100-fold in semiconductor advance”, 13 września 2026: https://www.scmp.com/tech/article/3367354/chinese-researchers-extend-future-memory-endurance-100-fold-semiconductor-advance Leszek B. Ślazyk e-mail: kontakt@chiny24.com © www.chiny24.com Leszek Ślazyk Send an email 2 tygodnie ago0 491 Share Facebook Twitter LinkedIn Tumblr Pinterest Share via Email Print Twierdza Chiny Leszek Ślazyk (rocznik 1967), politolog, publicysta, przedsiębiorca, ekspert do spraw Chin; od 1994 roku związany zawodowo z Chinami, twórca portalu www.chiny24.com. Website Xi i Modi rozmawiali w New Delhi: współpraca, granica i handel Kryzys czytania wśród nastolatków: Polska, OECD i chiński wyjątek Related Articles Po wizycie Xi w USA: osiem obszarów uzgodnień 6 godzin ago Tesla inwestuje w Chiny — Chińczycy walczą z demografią — Tydzień za Wielkim Murem 22 godziny ago Niszczyciel Type 052D z pociskami przeciwokrętowymi YJ-20: kolejny powód do niepokoju dla US Navy? 1 dzień ago Chińskie stocznie zdobyły 82,3 proc. globalnego tonażu nowych zamówień w pierwszym półroczu 2 dni ago