按照冯诺依曼结构，计算设备中要有存储器，于是在今天，我们所用的电脑或者智能手机中一般有内存和闪存两种存储器。其中，内存速度快、功耗低、寿命长，但断电后不保存数据，主要用作运行系统和软件；而闪存容量大、断电后数据不丢失，但寿命有限、功耗和速度都不如内存。

能不能将内存和闪存的优点结合，以后只用一种存储器？

答案是，在不久将来很有可能实现。

不久前，英国兰开斯特大学物理与工程系的科学家发表了一篇论文，详细介绍了UltraRAM量产方面的突破，而这种存储技术就「将闪存的非易失性与内存的速度、能效和耐用性相结合」了。

什么是UltraRAM，实现的原理如何？来，跟着闪德君一起，一一了解。

简介

按以往经验来说，一种快速且非易失性、具有高耐用性和低能耗的存储器长期以来被认为是无法实现的，因为这种设备的物理特性是明显矛盾的。传统上，快速、高耐用性的存储器似乎总是一个易失性的脆弱逻辑状态，甚至需要不断刷新，如DRAM（动态随机存取器)；相反，一个强大的、非易失性的逻辑状态需要大量的能量支持，这逐渐损坏了存储器结构，降低了耐用性，如闪存。

这两种传统存储器的不利方面刺激了对一系列新兴存储器技术的研究，例如ReRAM（电阻式存储器）、MRAM（磁性随机存储器）、PCRAM（相变存储器），但与传统存储器一样，逻辑状态稳定性和能量之间的权衡依然存在。

而UltraRAM则通过InAs（砷化镓）量子阱和AISb（锑化铝）势垒来创建三势垒谐振隧道（TBRT）结构来打破这一范式。相对于构成浮栅极（FG）和通道的InAs而言，AlSb的2.1eV导带偏移，为电子的通过提供了一个与闪存中二氧化硅介质相当的屏障。然而，如上图所示，在TBRT结构中包含两个InAs量子阱（不同厚度），由于共振隧道效应，当施加低电压（≈2.5V）时，它可以对电子透明。通过使用TBRT异质结构作为FG和通道之间的屏障，而不是普通的单片材料，可以实现具有非凡性能的电荷型存储器。

原理

UltraRAM是一种基于电荷的存储器，其逻辑状态由FG中的电子存在与否决定。FG通过三氧化二铝电介质与控制门（CG）电隔离，并通过InAs/AlSb TBRT异质结构与底层通道隔离。FG中电子的存在（定义为逻辑0状态）消耗了底层n型InAs通道中的载流子，降低了其传导性。因此，当源极（S）和漏极（D）触点之间施加电压时，凭借测量通过通道的电流可以无损地读取FG的电荷状态。因此，也可以读取存储器的逻辑状态。存储器的最后一个部件是InAs后门（BG），它允许电压垂直穿过门堆进行各种操作。

支撑该存储器的创新之处在于TBRT结构，与单层屏障不同，只需施加±2.5V的电压，就可以从高电阻状态切换到高导电状态。当存储器处于保留状态时，即没有对器件施加电压时，TBRT QWs中的电子基态相互错位，在能量上远远高于InAs FG和通道层的300K电子群。事实上，由于QW的基态对于谐振隧道结构来说处于异常高的能量，非易失性得到了加强。

在超薄的QWs和InAs中超低的电子有效质量结合状态下，TBRT提供了一个大的屏障，阻止电子进入或离开FG。然而，在器件上施加适当的偏压会使导带倾斜，从而使TBRT QW的基态与通道或FG中的占用电子态对齐。这使得电子可以通过固有的快速量子力学的共振隧道过程，在TBRT区域按预定方向快速移动。

由于所需的低电压与DRAM相比器件单位面积更低的电容，预测20纳米特征尺寸的UltraRAM存储器的超低逻辑状态开关能量为10-17焦耳，这比DRAM和闪存分别低两到三个数量级。

特性

UltraRAM结合了内存和闪存的优点，可能将是一种通用型存储器，有朝一日将满足PC和其他设备的所有存储需求。

根据论文中的说法，UltraRAM将提供「至少1000年的数据存储时间」，并且其快速的读写速度和编程擦除循环耐久性「比闪存好一百到一千倍」。将这些特质再结合类似DRAM的速度、能效和耐用性，这种新颖的存储器类型很难不让科技公司重视。

当然，空谈优势并没有太多意义，关键还在于是否能正常量产以及成本控制，以让更多的人能够用上。根据兰卡斯特大学研究人员的说法，UltraRAM可以将异质结构外延至硅基底上，而这是实现低成本、大批量生产的重要一步。并且他们还表示，正在进行进一步的工作以提高质量、微调制造工艺以及实施和扩展UltraRAM设备。

总结

UltraRAM旨在打破内存和闪存之间的鸿沟。因此，理论上，我们可以将其用作一次性解决方案来满足当前的计算设备存储需求。比如，拥有一块2TB的UltraRAM让我们的电脑不需再安装其他存储设备。

而当一个用例获得成功时，我们还可以预见，UltraRAM的部署将扩展到服务器、智能设备、控制台等。不过，这种新的存储技术是否足够快到可以超越专业的快速内存类型，如GDDR和HBM等，尚有待观察。所以，对于这一技术，我们不妨拭目以待。

以上内容摘译自兰卡斯特大学科学人员发表的《ULTRARAM：A Low-Energy，High-Endurance，Compound-Semiconductor Memory on Silicon》论文，由于专业水平有限，其中难免存在一些错误，还望海涵，且不吝赐教。若要阅读论文原文，可关注闪德资讯微信公众号，回复「UltraRAM」获取。

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