台积电存储器重大突破，1纳秒数据切换技术重新定义计算架构

今日快讯 2025年10月18日 22:03 0 aa

传统计算机存储体系正面临前所未有的技术挑战，而台积电领衔的跨国研究团队刚刚实现了一项可能改变整个半导体产业格局的重大突破。他们成功开发出基于复合钨材料的自旋轨道力矩磁阻随机存取存储器，实现了仅需1纳秒即可完成数据切换的惊人性能，同时保证数据保持时间超过10年。这项发表在《自然电子学》期刊上的成果，标志着存储技术从理论研究迈向产业化应用的关键节点。

当前主流存储器技术正遭遇物理极限的严峻考验。随着半导体工艺节点突破10纳米关口，传统的SRAM、DRAM和闪存面临着可扩展性受限、读写干扰加剧、可靠性下降等多重挑战。特别是在人工智能和边缘计算快速发展的背景下，系统对存储器提出了看似矛盾的要求：既要具备DRAM的高速响应能力，又要拥有闪存的非易失性特征，同时还需大幅降低功耗。

来自台湾国立阳明交通大学、台积电及工业技术研究院的联合研究团队，通过创新的材料工程技术，成功解决了自旋轨道力矩磁阻随机存取存储器面临的核心技术难题。他们的解决方案不仅实现了理论上的技术突破，更重要的是展现出了良好的工艺兼容性和量产可行性。

材料科学创新解决关键技术瓶颈

SOT-MRAM技术的核心挑战在于自旋轨道耦合材料的热稳定性问题。钨元素因其强自旋轨道耦合特性被视为理想候选材料，特别是β相钨的自旋霍尔角可达-0.4至-0.6，具有优异的自旋轨道力矩效率。然而，β相钨属于亚稳态结构，在半导体制造过程中常见的400°C热处理条件下会转变为α相钨，导致自旋霍尔角骤降至仅-0.01，使器件性能严重退化。

研究团队提出的突破性解决方案是在钨层中插入超薄钴层形成复合结构。具体而言，他们将6.6纳米厚的钨层分成四段，每段之间插入仅0.14纳米厚的钴层。这个厚度小于钴的单原子层，因此钴呈不连续分布状态。这种精巧设计发挥了双重作用：钴层作为扩散阻挡层抑制钨层内的原子扩散，同时钴与钨之间的混合效应消耗热预算，从而延缓相变的发生。

实验验证结果令人振奋。复合钨结构可以在400°C下维持物相稳定长达10小时，甚至能耐受700°C高温30分钟，而传统单层钨在400°C下仅退火10分钟就发生相变。通过透射电子显微镜、X射线衍射以及台湾光子源的纳米衍射测试，研究人员确认了β相钨的出色稳定性。更重要的是，复合结构在解决热稳定性问题的同时，依然保持了优异的自旋转换效率，其自旋霍尔电导率约为4500 Ω⁻¹·cm⁻¹，阻尼类扭矩效率约为0.61。

器件性能验证达到产业化标准

理论突破必须通过实际器件验证才能证明其价值。研究团队基于复合钨薄膜方案成功制备出64千位SOT-MRAM原型阵列，并在接近实际应用条件下完成了全面的性能测试。

在关键性能指标方面，器件实现了1纳秒级的自旋轨道力矩翻转速度，性能几乎可与SRAM媲美，远超DRAM与闪存。对8000个器件的统计测试显示，翻转行为高度一致，在长脉冲条件下的本征翻转电流密度仅为34.1兆安/平方厘米，展现出优异的稳定性与重复性。

数据保持能力同样表现出色。根据累积分布函数估算，器件的热稳定性参数约为116，意味着数据保持时间可超过10年，完全满足非易失性存储的严格要求。在隧穿磁阻比测试中，器件取得了高达146%的TMR值，表明MgO与CoFeB之间形成了高质量界面，为稳定读取裕量和可靠工艺窗口提供了有力保障。

能耗控制方面的表现更为突出。三端结构设计实现了读写操作的完全独立，从根本上降低了能耗，使其特别适用于对功耗敏感的边缘计算和移动终端等应用场景。得益于台积电团队的参与，整个设计从立项之初便面向现有半导体后端工艺进行优化，确保了出色的工艺兼容性。

值得特别关注的是，研究团队还实现了无外加磁场的X型翻转。这一成果得益于复合钨材料中的对称性破缺效应，不仅进一步简化了器件结构，也提升了集成度和设计灵活性，为SOT-MRAM的工程化应用开辟了新方向。

产业应用前景与技术变革意义

这项研究的影响远超实验室范畴，它为整个存储产业的发展指明了新方向。与许多仍停留在概念验证阶段的新型存储技术不同，基于复合钨的SOT-MRAM从设计之初就考虑了工艺兼容性和可制造性。研究团队已成功制备出64千位阵列，并计划进一步扩展至兆比特级集成，同时将写入能耗降至每比特亚皮焦级别。

在人工智能和边缘计算领域，SOT-MRAM展现出独特优势。AI训练与推理过程中的高频数据访问是能耗的主要来源，而SOT-MRAM凭借高速、非易失和低功耗的特性，可作为AI加速器的片上缓存，显著降低系统能耗。在边缘设备中，其非易失性意味着设备可快速启停而不丢失数据，对电池供电的物联网终端具有重要价值。

SOT-MRAM的出现可能推动存储层级体系的重构。传统的"SRAM缓存—DRAM主存—闪存外存"三级架构面临变革，SOT-MRAM有望填补SRAM与DRAM之间的性能空白，甚至在部分应用中取代其中一者，从而简化架构、提升系统效率。

在材料科学层面，研究中提出的"复合层稳定亚稳态相"策略不仅适用于钨，也为其他功能材料的相稳定性研究提供了新思路。团队计划进一步探索新型氧化物与二维界面材料，以提升整体性能与可靠性。

更深远的意义在于，这项突破可能推动计算架构创新。高速、低功耗的SOT-MRAM让"存算一体"等新型架构更加可行，为突破传统冯·诺依曼结构的"存储墙"瓶颈提供了新路径。随着技术的成熟和成本的降低，SOT-MRAM有望在数据中心、移动设备、汽车电子等多个领域实现广泛应用。

目前研究团队的目标不仅是展示优异的实验室性能，更要通过系统级验证，展示MRAM如何在实际应用中显著降低整体功耗。随着从千位级向兆位级集成的推进，这种新型存储器有望在不久的将来走进智能设备，开启存储技术的新纪元。

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