新材質突破記憶體晶片限制，效能邁向新境界
New materials could supercharge computer memory chips
17 DEC 2025 11:45 AM ETBYROBERT F. SERVICE
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拆開你的智慧手機或筆電，或觀察數據中心內部，你會發現用於儲存從照片到訓練聊天機器人回應查詢資料的「快閃」記憶體矽晶片。隨著成本穩定下降和資料密度大幅躍升，這些裝置如今已掌控每年700億美元的市場，並迅速取代運轉中的磁性硬碟——後者在儲存和讀取資料時速度慢得多。即便如此，快閃記憶體仍面臨與其他電腦晶片相同的微縮化限制，這些限制已減緩技術進步。
現在，快閃記憶體核心的設計轉變可能有助於該技術突破這些限制。全球一些最大的快閃記憶體製造商正在研究稱為鐵電體的材料，這種材料可比矽晶片縮小更多，並可能帶來資料密度的又一次數量級躍升。鐵電體還能以傳統快閃記憶體所需功率的極小部分，更快地寫入和讀取資料。喬治亞理工學院的電機工程師阿西夫·汗表示：「鐵電體快閃記憶體已臨近成功。」
快閃裝置最早於1987年發明，由數千倍薄於人類髮絲的微型記憶體單元組成，單一晶片中可容納數十億個單元。在每個單元內部，資料通過將電子困在半導體層中來儲存。被困的電子會阻止施加電壓啟動鄰近通道的電子流動，這被讀取為數位0；反之，若該層中無電子存在，則施加電壓會導致電子快速穿過通道，這被視為1。
如今的裝置實際上複雜得多：每個單元可識別多達八種不同的施加電壓層級，從而儲存多個資料位元。工程師將單元並排排列，並將它們堆疊超過300層高，使單一快閃晶片能夠儲存高達2兆位元組的資料。
但當單元層厚度縮小至20奈米以下時，它們開始泄漏電子，導致可靠性問題。隨著單元堆疊層數增加，它們的能源效率也降低，因為讀取或寫入單一單元的資料需要向該單元上方和下方的整列單元傳送電流。
鐵電體的運作方式不同。這些材料具有穩定的極化電氣取向，類似磁鐵的北極和南極，外部電場可將其翻轉以代表0或1。如同困在儲存層中的電荷，這種鐵電極性決定了施加電壓是否能驅動電子流經鄰近通道。由於鐵電體在較低電壓下即可讀取和寫入資料，因此可將限制單元的絕緣層做得更薄，從而開闢了可堆疊高達1000層以上單元的途徑。
然而，早期原型由鐵電材料氧化鋯製成，卻遭遇所謂的「窄記憶體窗口」問題。這意味著寫入單元的電壓僅比讀取資料所需電壓高出幾伏特。結果，工程師再也無法做出精細的電壓區分，從而無法在單一矽單元中讀取和寫入多個位元。
2023年，韓國快閃記憶體製造商SK海力士的研究人員報告了一種解決此問題的方法。他們添加額外絕緣層，在寫入位元時將電荷困在氧化鋯頂部，創造出一種混合傳統與鐵電體的裝置，將記憶體窗口擴大至理想的10.5伏特。其他研究團隊已開始採用此策略，聖母大學的鐵電記憶體專家倪凱稱之為「開創性工作」。
上個月，三星的研究人員報告了一種大幅降低鐵電快閃記憶體能源需求的方法，通過減少在高堆疊單元之間傳輸資訊所需的功率。為儲存或檢索快閃記憶體單一單元的資訊，工程師依賴垂直「通電壓」，將列中所有單元連接起來，使其行為如同單一導線。但反覆激發所有這些列會消耗大量電力。領導三星團隊的物理學家崔德賢表示：「如果你增加層數，就需要更多電力。」
為降低這種需求，崔德賢及其同事從添加電荷困存的鐵電記憶體單元入手，然後將導電的矽通道替換為銦鎵鋅氧化物製成的通道。這種半導體只需極低的通電流即可轉變為導體。正如崔德賢及其同事上個月在《自然》期刊報告，該材料與傳統技術相比，將其鐵電裝置的功耗降低了96%，同時仍保持健康的10.5伏特記憶體窗口。倪凱表示：「這是一項重大創新。」
阿西夫·汗表示，其他鐵電技術進展迅速。過去兩年中，已出現約20種不同的晶片架構。去年，韓國科學技術院的研究人員報告了證據，表明這些裝置足夠耐用以實際應用：加速壽命測試顯示它們可保存資料長達10年。
若製造商採用鐵電快閃技術，它可能延續消費者已習慣的趨勢：智慧手機和筆電儲存的資料量持續超過前一代產品。該技術還可通過使數據中心更快速、高效地向人工智慧處理晶片供應更多資訊來提升人工智慧。此外，它能為機器人提供更快的反應能力，因為它們可依賴機載記憶體執行眾多功能，無需等待連接雲端，阿西夫·汗說：「對此而言，鐵電快閃技術將至關重要。」