國立成功大學物理系研究團隊最近在新世代記憶體材料——鐵酸鉍(BiFeO3)的操控方式上展現重大突破。

鐵酸鉍(BiFeO3)是在一個儲存單元中可同時具有高達八種邏輯狀態(0-7)的多位元記憶體材料,比起傳統只能儲存0與1的單位元記憶體,可大幅提升儲存資訊的密度。

研究團隊成功地開發新穎光學技術,可進行非接觸地特性控制,應用這類材料與相關光控技術,能讓現有記憶體的體積大幅縮小,耗能也進一步降低。應用於人工智慧(AI)發展與雲端運算,更可減少讀取資料的延遲時間,大幅加速演算速度,可望在未來微縮化多功能奈米元件的趨勢中,帶來革命性的突破。

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可光控多位元鐵酸鉍記憶體

在資訊處理與運算等過程中,資料的儲存是相當重要的一個環節。若能掌握大容量、小型化、高速、節能且可靠的儲存技術,便能建立超高效能的運算平台,大量提升資料處理的效率。受限於傳統硬碟與記憶體基礎單位為0與1的組合,基礎記憶體單元只能靠不斷縮小元件尺寸才能提高記憶體密度,在開發上始終會達到極限。探尋具有更強大多元的邏輯狀態記憶能力之材料,以及全新的存取技術,可說是未來資訊科技發展的關鍵。

由國立成功大學物理系助理教授楊展其與教授陳宜君所帶領的研究團隊,針對多邏輯位元記憶材料進行研究,並對下世代記憶體提供了全新方案。陳宜君指出,以磁性金屬薄膜為主材料的傳統硬碟為例,只具有一個鐵磁有序性,用以紀錄0與1的資訊。而多鐵性材料鐵酸鉍的記憶體單元為材料內自發的電偶極矩與電子自旋排列方向,記憶體單元理論上可達次奈米級,且可在同一點存在多個記憶狀態,即同時包含電、磁與反鐵磁有序,組合上可一次紀錄八組資訊於單個儲存單元中。此外,相較於現今商用非揮發性記憶體仍有斷電長時間後會損失資料的問題,多鐵性材料的記憶狀態更加穩定。

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鐵酸鉍(BiFeO3)是同時兼具多種有序組態的多功能材料,無需插電仍可保持記憶體

成大研究團隊此次研究最重要的突破,在於賦予該材料全光控的優勢,由於光是交變的電磁波,因此在傳統經驗中,光無法對材料產生多組態的記憶調變。楊展其表示,團隊所提出的關鍵光控技術,可利用光照產生的局部形變進而控制鐵酸鉍中的多位元記憶組態。

利用光學寫入技術的記憶體不需任何借助任何金屬電極與複雜的元件製程,充分體現「材料即元件」之構想,不只提升了資訊儲存效益,也為新世代記憶體開發帶來全新的思考方式,使得該材料可直接導入如量子儲存、量子通訊等結合尖端光學技術的跨領域科技。

相關研究成果已於5月6日刊載於「自然材料」(Nature Materials)期刊。