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《韩国国立蔚山科学技术院开发HfO2无标度铁电性新方法 有望大幅提高存储芯片容量》

  • 来源专题：集成电路
  • 编译者： shenxiang
  • 发布时间：2020-10-16

  • 铁电性产生于晶体中电偶极子的自发有序性，在外加电场的作用下，电偶极子可以可逆地转向相反的方向。一种铁电氧化物，二氧化铪（HfO2）最近成为一种有趣的材料，因为它具有纳米厚度的强大电偶极子，并且能够直接集成到硅器件中。HfO2是一种萤石结构，其电偶极子的可切换性预计不同于ABO3钙钛矿结构的氧化物，这可以从其较大的强制场和较慢的区域传播中得到暗示。但是人们对HfO2在原子水平上具有稳定的铁电性和明显的可转换性的根本原因还知之甚少。HfO2的结构和铁电性质之间的关系对于它们在先进的纳米电子器件中的应用至关重要，例如非易失性存储器和低功耗逻辑。目前，业界拟将速度快、功耗低且非易失的铁电随机存取存储器（FeRAM）作为替代现有动态随机存取存储器或闪存的下一代存储半导体。但是，FeRAM的主要缺点之一是存储容量有限。为了增加其存储容量，有必要通过减小芯片尺寸来集成尽可能多的设备。物理尺寸的减小导致存储器极化现象的消失，使其丧失功能。

    在三星科学技术基金会资助下，蔚山国立科学技术学院（Ulsan National Institute of Science and Technology，UNIST）能源与化学工程教授李准熙及其团队发现了一种可以控制半导体材料中的单个原子，并进一步增加微芯片存储量以及突破芯片域尺寸极限的方法。

    研究人员通过将一滴电荷加到一种名为铁电氧化铪（ferroelectric hafnium oxide，或HfO2）的半导体材料中，就可以控制四个单独的原子来存储1位数据（1 bit of data）。这就意味着，如果合理，可以实现一个闪存模组中每平方厘米可以存储500 TB的数据量，是当前闪存芯片的1 000倍，同时提高了利用0.5纳米工艺技术的可能性，将有助于半导体设备尺寸进一步缩小。

    图1 与钛酸铅的扩散畴壁相反，HfO2有平坦带和零宽度畴壁

    该研究成果发表在《Science》, 2020，369 (6509)：1343-1347，DOI: 10.1126/science.aba0067，题目：“Scale-free ferroelectricity induced by flat phonon bands in HfO2”。

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  • 《美国国家科学基金会（NSF）与美国国立卫生研究院（NIH）合作开展新的研究，开发基于RNA的生物技术创新方法》
    • 来源专题：计量基标准与精密测量
    • 编译者：李晓萌
    • 发布时间：2024-04-18
    • 近日，美国国家科学基金会已向九个研究团队拨款1270多万美元，以更好地了解核糖核酸（RNA）在潜在的深远生物技术应用方面的未开发能力，从作物疾病预防到抗癌疗法。这九个团队将分别通过生物技术分子基金会（MFB）计划从美国国家科学基金会获得100万至165万美元，这是美国国家科学院与美国国立卫生研究院的国家人类基因组研究所（NHGRI）合作的一项联合努力。NHGRI计划投资2024年晚些时候宣布的额外项目，重点是开发研究RNA生物学的新技术。 美国国家科学基金会化学部主任David Berkowitz表示：“对RNA分子水平结构、动力学和功能的创新新研究模式有望在化学和生物学的交叉领域带来重大的生物技术突破。”。“通过推进这项基础科学，我们为受使用启发的研究和应用开辟了新的途径，这些途径可以造福社会，提高我们的生活质量。” NHGRI基因组科学部主任Carolyn Hutter表示：“我们很高兴能与美国国家科学基金会合作，支持对RNA的结构、相互作用、功能和应用的研究。利用RNA研究的新工具和技术有可能改变生物医学领域，改善人类健康。” RNA是一种复杂的有机分子，在所有活细胞的生物和化学机制中执行重要任务。尽管RNA在近一个世纪前首次被发现，但其许多功能方面尚不完全清楚或可预测。这九个研究小组将探索RNA的作用和作用，目的是创造新的基于RNA的方法来治疗癌细胞，使作物更能抵抗枯萎病和疾病，对抗普通感冒等病毒感染等。这些团队包括从化学、生物学和物理学到数学建模和机器学习等一系列领域的专家。他们的项目有望提供与行业合作的机会，将实验室获得的知识转化为可销售的新生物技术。 除了支持这项研究，美国国家科学基金会的投资还将通过指导、高中生和本科生讲习班和实习以及其他活动，为学生和早期职业研究人员提供实践培训，以扩大和扩大美国STEM劳动力的参与度。 这九个项目和团队是： 1.下一代近距离标记技术以纳米分辨率绘制活细胞中的亚细胞转录组和RNA相互作用体（斯坦福大学） 旨在创造新技术，使科学家能够快速可视化RNA在活细胞内的定位位置，并识别附近可能与RNA相互作用的其他遗传物质；这些技术可能有助于研究癌症等疾病中的细胞内相互作用。 2.在RNA病毒诱导的基因沉默载体中稳定发夹插入物（马里兰大学、帕克学院和Silvec Biologics） 将致力于创建稳定的RNA基因组，这些基因组可作为递送设备，使导致植物疾病的细菌失效，如柑橘绿化；一种严重的植物疾病，影响着国际上重要的经济和农业柑橘树，目前尚无治愈方法。 3.破解密码：理解信使核糖核酸定位和翻译规则（科罗拉多大学丹佛分校） 旨在利用RNA测序技术的最新发展，创建一个能够预测信使核糖核酸蛋白质输出的模型，这可能会对我们对基因如何编码和传递信息的理解产生广泛影响。 4.使用计算语言学和深度学习的“更好的同源折叠”（俄勒冈州立大学和罗切斯特大学） 寻求使用人工智能开发更快更好的算法和软件工具来建模RNA二级结构，这有可能推进治疗和诊断设计。 5.利用EV-CLASP表征细胞外囊泡的生物发生、摄取和细胞对核糖核蛋白货物的反应（范德比尔特大学） 将有助于增加我们对细胞外囊泡衍生的RNA的理解，这可以增强我们理解细胞通信过程中RNA动力学的能力，这将有助于识别新的基因调控元件，并开发将RNA治疗输送到细胞中的方法。 6.移框刺激因子的RNA修饰：通过计算突变预测和功能实验设计基因表达的细胞平台（纽约大学和北卡罗来纳大学教堂山分校） 旨在预测和建模两种蛋白质是如何从同一信使RNA中产生的，目的是应用这些知识来限制RNA病毒如何利用这种突变感染人类或开发新的药物递送形式。 7.评估和推进RNA构象集成的低温EM（斯坦福大学） 将测试低温电子显微镜和计算方法是否能够准确地可视化RNA机器的功能关键特征，以创建一个经过验证的工具包，帮助研究人员开发各种具有生物学或生物技术兴趣的基于RNA的机器的模型。 8.人类和病毒信使核糖核酸翻译调控序列的大规模平行鉴定（耶鲁大学） 将采用系统级方法来了解影响信使核糖核酸合成蛋白质量的各种因素，这可能有助于设计新的治疗信使核糖核酸类。 9.哺乳动物细胞中具有新功能的RNA的持续进化（威尔康奈尔医学院和麻省理工学院） 旨在克服将功能性RNA部署到活细胞中的挑战，这可以通过允许科学家开发和递送能够与活细胞中靶蛋白结合的RNA来广泛改变生物技术、生物医学和生物学。 MFB计划是一项跨学科倡议，由美国国家科学基金会数学、物理科学和生物科学理事会领导，并得到计算机和信息科学与工程理事会以及工程理事会的额外支持。
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  • 《魏少军：中国发展存储器芯片应以市场为主导》
    • 来源专题：集成电路
    • 编译者：tengfei
    • 发布时间：2016-10-24
    • 在国家政策刺激下，2016年各地纷纷传出加码存储芯片的声音：北京有紫光集团宣布300亿美元做存储器，武汉有武汉新芯准备耗资240亿美元打造国家级存储器基地，合肥放言要打造IC之都，福建晋华也在跃跃欲试。 众声喧嚷中，随着今年下半年长江存储的正式成立，武汉新芯与紫光集团走到了一起。合流背后到底发生了什么？它们的合流又对整个存储产业的发展意味着什么？中国到底该怎样发展存储？清华大学微电子研究所所长魏少军接受记者采访时认为，做存储器芯片不能四面开花，一定要集中力量办大事。紫光与武汉新芯能够走到一起，关键在于紫光的掌舵者赵伟国和武汉新芯的管理层都意识到，只有合起来成功的概率才是最高的。同时，发展存储器产业一定要遵循市场规律，要淡化“政府主导”的思路，谁的市场能力强，就由谁来主导。 魏少军预计，10年之后，中国自有存储器规模应该力争达到250亿美元，在国际上做到四分天下有其一，在国内占据半壁江山。 中国存储产业现状如何？在全球市场中处于怎样的位置？ 魏少军：迄今为止，中国还没有一家专业的存储器企业。国内一些企业譬如兆易创新有一些自己的存储器产品，但主要集中在特殊领域。从主流市场来看，中国的存储器芯片基本是空白。我们每年进口大概将近500亿美元的存储器。 全球来看，存储市场已经发展多年，是一个相当成熟的产业。目前，基本上形成了东芝、三星、美光、闪迪、海力士五家厂商鼎立的格局。具体来看，在DRAM领域，韩国厂商占主导地位，占有约75%的市场份额；其次是美国厂商，约占20%的市场份额；还有5%是在台湾生产的。NAND Flash领域，韩国占了50%，美国占到百分之二十几，日本还有一些。 中国在PC领域曾经做过自己的处理器，譬如典型代表龙芯，现在看来结果并不理想。在全球存储产业如此成熟的情况下，中国再做自己的存储，会不会沦为又一个“龙芯”？ 魏少军：这是两个完全不同的事情，需将存储器和CPU产业分开来看，它们的产业属性不一样。CPU需要很强的生态环境支持，即便你的CPU做得很好，没有软件在上面跑，别人也不会用你的。存储器则不一样，存储器不存在复杂的生态环境的问题，只要你的产品做得跟别人一样好或能超过别人，市场就会买单。所以存储器是可以发展的。 中国现在要去发展存储器产业，到底具备什么条件？ 魏少军：中国现在大力发展存储器芯片，我认为是有机会的。一是中国的市场很大。目前这轮存储器市场的增长点主要是互联网公司的数据中心。在DRAM方面，随着技术的进步，数据中心的服务器增长，所需的内存越来越大，比如今天的服务器内存可能100G就好了，未来可能需要200G、300G，而数据中心服务器一建就是十几万台、几十万台，对DRAM的需求非常大。在数据存储方面，数据中心的存储需求逐渐从硬盘转向NAND Flash，给我们提供了新的机会。二是存储技术处于升级换代的时期，譬如DRAM的工艺制程走到20nm左右以后发展速度会放缓，闪存NAND Flash从二维转向三维，也给了我们机会。三是存储器芯片产业走到今天，对资金的需求量越来越大，从投资角度来看，投资规模大概要几百亿美元，且要持续多年地投入，能继续投这么多钱的企业也不多了。中国的企业有钱去做这些事。 中国目前在存储领域的技术积累有多少？ 魏少军：在主流技术上，我们有一些储备，比如紫光国芯收购的西安华芯，在DRAM的设计上已经达到国际先进水平，曾经给台湾的半导体存储器公司做过不少设计服务。应该说，我们在存储芯片的设计技术上有了相当的积累，但在工艺上还没有经验。我个人觉得，我们现在的技术水平和国际水平有差距，但经过努力差距可以慢慢缩小。三五年内坚持研发，应该能够有突破。 存储是非常依赖核心技术的领域，以中国目前的存储技术积累，还有发展机会吗？若引进国外技术，技术可能从哪里来？ 魏少军：技术不会永远高歌猛进，比如DRAM可能走到十几纳米就将停滞下来，在别人发展放缓的时间窗口里，我们可以一步步追赶。同时，在原有的技术之外，新技术会不断涌现，就像盖房子，你可以用砖，也可以用木头、竹子、钢材，关键在于技术上能否找到合适的路径去做这件事。现在，市场已经开始涌现许多新型存储器，譬如英特尔的X-Point等。中国的存储器企业或许可以从新技术上切入。 整体来说，中国的存储技术一方面是依靠自身不断地研发提升设计、工艺水平，一方面是采取开放的态度，跟别人合作。可能有些国际企业不愿意合作，但在巨大的市场诱惑下，总有人会尝试合作。我觉得半导体是开放的市场，任何企业封闭到最后肯定是做不成的。近十年来，技术的发展从来都是开放的，手机、操作系统包括ARM都开放了。大家都持开放心态的情况下，如果哪些在国际上占据优势的企业不愿开放合作，最后就只能把自己憋死。 为什么是现在这个时点来发展存储？中国存储产业以前为什么没有发展起来？ 魏少军：本世纪初，随着18号文件发布，中国曾经迎来过一轮集成电路发展高峰。我们很多人很乐观，政府也很乐观。政府认为我们可以通过市场配置资源的形式来发展集成电路产业，可实际上是做不到的。市场配置资源的想法本身是对的，但是我们的企业当时没有能力来这样做。许多企业长期亏损，哪有钱去继续投资存储器呢？到了2012年，回过头来看，我们认为在集成电路产业发展过程中，市场机制是缺失的，需要政府出手引导。 政府出手并不是说政府去亲自操刀，而是给了社会资本信心，引导社会资本向半导体行业投资。如果15年前我们就能集中力量去做存储，现在的情况肯定不同。问题是，在过去15年的发展过程中，我们对集成电路，尤其是对存储器，没有大规模的投入。半导体行业，首先得有钱，没钱就建不了厂。要建存储器芯片工厂，少则几十亿美元，多则上百亿美元，这么多钱，谁投？如果说2014年，没有《纲要》的出现，没有大基金成立，没有全社会的关注和热情，谁会投这么多钱呢？ 产业政策明确之后，各地都想发展存储，譬如福建晋华、安徽合肥、武汉新芯、紫光。最近随着长江存储的成立，武汉新芯与紫光走到了一起。它们为何走到一起？你怎么看这种转变？ 魏少军：国家有了明确目标，要把存储做起来，但没有说怎么做。大家都意识到这个事情的战略意义，赵伟国想做，武汉新芯想做，合肥想做，晋华也想做，这是自然现象。 在这个过程中，其实大家都在不断思考：这边一个存储器，那边一个存储器，势必形成竞争，而且都是低水平地重复，是不是合起来做会好一点？紫光和武汉新芯能走到一起，我觉得这是大家在不断探索中形成的共识：做存储器四面开花是不可能的，一定是集中资源、人力、财力去做。在这个过程中，紫光很开放，武汉新芯也很开放，即便武汉新芯3月份宣布了投资240亿美元建存储基地，也愿意和紫光合作。之所以这样，关键在于紫光的掌舵者赵伟国和武汉新芯的管理层都意识到，只有合起来成功的概率才是最高的。 长江存储成立之后，你觉得是武汉主导还是赵伟国主导比较好？ 魏少军：相对而言，武汉新芯做存储器具备更多的条件，但是主要由地方政府主导。我们觉得，做存储器一定要遵循市场的规律，要淡化“政府主导”的思路。 长江存储成立之后，我们希望由市场主导，就是说谁的市场能力强，谁来主导。武汉方面和赵伟国两者之间，赵伟国更加市场化，我肯定希望赵伟国来主导。但是，随着产业的发展，未来是不是有第三家参与者更加市场化？ 做存储的架子搭起来之后，下一步可能会怎么走？预计中国存储未来的市场地位如何？ 魏少军：存储架子搭起来之后，首先得做出有竞争力的产品，然后是形成良性循环，再就是不断扩大市场份额。我认为瞄准的产品一定是跟互联网大数据相关的，BAT等互联网公司对存储器有大量需求，国内又有信息安全的要求，抓住这个市场已经足够大了。至于先做3D NAND还是DRAM，要看哪个技术条件更成熟。从技术上看，3D NAND不需要走到20nm去，40nm可以做，32层也可以用用，相对容易，也是新兴产业。DRAM则可以慢慢走。 我预计，10年之后，中国自有存储器规模应该力争达到250亿美元，在国际上做到四分天下有其一，在国内占据半壁江山。
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