存儲器是電子信息處理系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。在過去，依靠CMOS工藝的不斷進步，存儲器的性能得以不斷提高。

但近年來，一方面，尺寸微縮導致的晶體管漏電問題越來越嚴重，在增大存儲器功耗的同時，惡化了存儲單元的保持特性，存儲器的發(fā)展遇到較為明顯的瓶頸；另一方面，人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等領域的快速發(fā)展又對存儲器的容量速度以及功耗等性能指標提出了更高的要求。

在這樣的背景下，由于嵌入式鐵電隨機存取存儲器(Embedded Ferroelectric Random Access Memory，eFeRAM)具有非易失、高密度、低功耗以及讀取速度快等特點，可提高系統(tǒng)的整體性能，因此，嵌入式鐵電隨機存取存儲在近年來備受關(guān)注。

近日，北京大學公開了一項名為“一種鐵電隨機存取存儲器陣列及其控制方法”的專利，公開號CN117672288A，申請時間為2023年12月15日。

該據(jù)國家知識產(chǎn)權(quán)局公告的高專利摘要顯示，該發(fā)明提供了一種鐵電隨機存取存儲器陣列及其控制方法，屬于半導體存儲器技術(shù)領域。

該發(fā)明包括由基本陣列沿橫向、縱向重復排列而成的總體陣列，基本陣列包括存儲單元、字線、控制線、基本板線、總體板線、基本位線和總體位線，由存儲單元沿橫向、縱向重復排列成矩陣結(jié)構(gòu)；存儲單元包括一個晶體管和一個鐵電電容器，晶體管的柵極接字線、漏極接位線、源極接鐵電電容器上極板，鐵電電容器下極板接板線。

該發(fā)明還提供了對該鐵電隨機存取存儲器陣列進行數(shù)據(jù)寫入、數(shù)據(jù)讀出和數(shù)據(jù)重寫的控制方法。此外，該發(fā)明層次化的設計方法，可以在不犧牲讀出時間與讀出窗口的前提下，增大鐵電隨機存取存儲器陣列的規(guī)模。


我國成功研發(fā)超級光盤

近日，我國科學家在光存儲技術(shù)領域?qū)崿F(xiàn)了里程碑式的跨越，成功研發(fā)出“超級光盤”，并在全球范圍內(nèi)首次實現(xiàn)了PB（PetaByte，千萬億字節(jié)）量級的光存儲能力，標志著我國在這一關(guān)鍵技術(shù)上占據(jù)了世界領先地位。

“超級光盤”的誕生，是我國科研團隊歷時數(shù)年的辛勤攻關(guān)的結(jié)果，由中科院上海光學精密機械研究所攜手上海理工大學及其他科研機構(gòu)共同完成。這項技術(shù)突破的核心在于超大容量與超分辨三維光存儲技術(shù)的研發(fā)，它顛覆了傳統(tǒng)的二維光存儲模式，如同在微觀尺度上打造了一個立體的、超高密度的信息倉庫。

相比于我們常見的CD、DVD或者藍光光盤，這款“超級光盤”的存儲容量達到了令人驚嘆的程度——1PB相當于100萬GB，這是一個足以存儲海量數(shù)據(jù)的天文數(shù)字，比普通光盤的存儲容量提升了上萬倍，甚至超過了普通硬盤數(shù)百倍。這意味著在未來，一個看似普通的光盤就可以承載一座小型圖書館的所有文獻資料，或是一部高清電影數(shù)據(jù)庫，極大地拓展了信息存儲的可能性。

“超級光盤”的創(chuàng)新之處在于采用了先進的雙光束調(diào)控聚集誘導發(fā)光超分辨光存儲技術(shù)，該技術(shù)使得信息不僅可以以極高的密度被刻錄在光盤介質(zhì)上，而且在讀取時也能夠?qū)崿F(xiàn)超分辨，確保了存儲信息的準確無誤和高效訪問。

此外，這項技術(shù)還具有綠色環(huán)保、能耗低的特點，符合未來數(shù)據(jù)中心對低碳環(huán)保、節(jié)能高效的要求，對于推動我國乃至全球數(shù)字經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有深遠的影響。隨著“超級光盤”技術(shù)的成熟和應用推廣，有望重塑數(shù)據(jù)存儲格局，助力大數(shù)據(jù)時代的信息留存與傳播，進一步提升我國在全球科技競爭中的地位。


數(shù)據(jù)存儲技術(shù)進化趨勢

2030年人類將進入YB數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)量是2020年的23倍，全球連接數(shù)2000億，通用算力將增長10倍、人工智能算力將增長500倍。在存儲容量方面，目前一些高端閃存卡的存儲容量已經(jīng)達到了1TB，相當于是32年前的10TB，而一些SSD的存儲容量更是高達數(shù)TB。在讀寫速度方面，目前一些高端的UHS-II SD卡可以提供高達300MB/s的讀取速度和260MB/s的寫入速度。此外，一些NVMe SSD的讀寫速度也可以達到數(shù)GB/s。

NAND Flash在閃存市場中具有舉足輕重的地位，隨著NAND Flash存儲原廠的產(chǎn)品生產(chǎn)工藝不斷更新發(fā)展，存儲晶圓工藝制程、電子單元密度、產(chǎn)品堆疊層數(shù)等經(jīng)歷了較大的技術(shù)更新，市場存儲密度的供給呈現(xiàn)出較快的增長速度。根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院整理的數(shù)據(jù)顯示，全球NAND Flash存儲容量一直保持增長，從2017年的1620億GB增長至2020年的5300億GB，年均復合增長率達35.38%。

”信息爆炸“時代對數(shù)據(jù)存力帶來了巨大考驗，數(shù)據(jù)存力整體上面臨容量逐漸供應短缺；利用效率低下，資源浪費；存儲設施能耗壓力大；分布區(qū)域不均勻，發(fā)展不平衡等難題。因此，未來存儲將會以非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為主，SSD閃存為主要存儲介質(zhì)，并向分布式存儲架構(gòu)、云存儲、DNA存儲、納米存儲、存算一體等方向發(fā)展。

近年來，隨著云計算與人工智能應用的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的流量不斷擴大，數(shù)據(jù)處理速度慢和能耗高的問題逐漸成為束縛計算性能發(fā)展的障礙。相對于CPU性能的提升，內(nèi)存的進步則相對緩慢，從而導致存儲速度嚴重滯后，即“內(nèi)存墻”問題。隨著多核處理器和大數(shù)據(jù)應用的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)搬運的需求大幅增加，為了解決“內(nèi)存墻”問題，行業(yè)內(nèi)如SK海力士、美光科技等企業(yè)寄望于提高存儲器帶寬，因此高帶寬存儲技術(shù)（High-Bandwidth Memory，HBM）應運而生。

不同于傳統(tǒng)的2D DRAM，HBM技術(shù)采用3D堆疊的DRAM芯片，通過硅通孔（TSV）技術(shù)實現(xiàn)多層內(nèi)存的垂直互連，并且使用系統(tǒng)級封裝（SIP）技術(shù)將GPU和多個DRAM芯片緊密集成，這種設計方式極大提高了數(shù)據(jù)傳輸速度，并能在較小的物理空間內(nèi)提供更大的存儲容量和更高的帶寬，同時實現(xiàn)更低的延遲和功耗。正因為如此，HBM技術(shù)被認為是數(shù)據(jù)中心等高性能計算應用的理想內(nèi)存解決方案。