スタンフォード大学の研究者らが、コンピューター・メモリ技術の分野で大きなブレークスルーを果たした。彼らが開発した「GST467」と呼ばれる、ゲルマニウム、アンチモン、テルビウムからなるこの革新的な材料は、コンピュータ・メモリの世界を一新する可能性を秘めている。

GST467は、ナノコンポジット超格子として知られる積層構造の1つの繰り返し層として使用され、ランダム・アクセス・メモリー（RAM）の持つ速度と、フラッシュ・ストレージの長期記憶容量の、その両方を置き換えることができるユニバーサル・メモリへの道を開く可能性がある。また、より高速で、より安価で、より消費電力の少ないメモリが実現できると、研究者らは『Nature Communications』誌に発表した論文で述べている。

現在のコンピューターは、ランダム・アクセス・メモリー（RAM）のような短期メモリーと、ソリッド・ステート・ドライブ（SSD）やUSBメモリのようなフラッシュストレージ、もしくはハードディスク・ドライブ（HDD)のような長期ストレージを、それぞれ異なる目的で使用している。RAMは高速だが、かなりの物理的スペースと常時電源を必要とするため、コンピュータの電源を切るとデータが消えてしまう。一方、フラッシュ・ストレージは電力を必要とせずにデータを保持し、より高密度だが、保存されたデータをプロセッサーに転送する速度はRAMより遅い。

RAMのスピードとフラッシュ・ストレージの長期記憶を併せ持つユニバーサル・メモリが実用化されるまでには、いくつかの技術的ハードルが残っている。しかし、このプロトタイプは限りなくその実現に近いものである、と研究者らは論文に書いている。

このユニバーサル・メモリの原型は、相変化メモリ（PCM）の一種だ。PCMとは、情報を抵抗の形で保持し、自身の結晶構造を融解・改質することでその抵抗を変化させるメモリのことだ。例えば、ガラスのような材料上で高抵抗と低抵抗の状態を切り替え、PCMの材料が結晶化するとき（「1」を表す）、大量のエネルギーを放出し、低抵抗になる。一方、溶けるとき（「0」を表す）は抵抗が高く、同じ量のエネルギーを吸収する。こうして、コンピュータデータの1と0が生成される仕組みだ。研究者らによると、GST467は、アンチモン、テルビウム、ゲルマニウムを原料とする他の代替品（比率や結晶構造は異なるが）よりも結晶化温度が高く、融点が低いため、PCMに使用するのに理想的な候補であるという。

研究者らは、この形の相変化メモリは、メモリとプロセッサ間のデータ移動を少なくすることで機械学習のエネルギーを節約する、将来のコンピュート・イン・メモリ方式に特に有用であると考えている。

この論文の共同筆者であるXiangjin Wu氏は、次のように述べた。「特に今日のコンピューティングワークロードでは、データを行き来するには多大なエネルギーが必要です。このタイプのメモリを使えば、メモリとプロセッシングをより近づけることができ、最終的には1つのデバイスにすることで、より少ないエネルギーと時間で処理できるようになります」。

PCM自体は商業化されているが、まだメモリ業界の勢力図を塗り替えるような大きな変化を与えるインパクトは持ち合わせていない。それには、PCMが抱える問題がついて回る。そのひとつに、状態間の反転に必要な電流が大きすぎることがある。これを解決するために現在提案されている方法は、抵抗値のドリフトなどのトレードオフを伴うものであった。スタンフォード大学を拠点とする研究チームは、以前の研究で、電流を減らし、抵抗を安定させることに成功した。その答えは、2つの異なる結晶材料のナノメートル単位の層を繰り返す超格子と呼ばれる構造だった。このような構造では、層間の原子レベルの隙間が熱の流れを制限するため、構造を加熱して相を変化させるのに必要な電流が少なくて済む。

しかし、初期の超格子デバイスは、スイッチングに時間がかかりすぎ、ロジックチップに使用するには大きすぎた。スタンフォード大学のポスドク研究員Asir Intisar Khan氏は、「エネルギー効率は改善されたとはいえ、デバイスの動作電圧はCMOSロジックで駆動するには高すぎました」と、IEEE Spectrumに述べている。研究チームは、超格子のコンセプトを必要なサイズまで縮小し、CMOS ICで使用するための他の要件を満たした場合に機能するかどうか、また、そうすることが、PCRAMの改良に通常要求されるような難しいトレードオフを意味するかどうかを確かめたかった。

目標は、高速スイッチング、低電圧、低電力のデバイスで、幅はわずか数十ナノメートルだった。「40ナノメートルまで縮小しなければなりませんでしたが、同時にこれらすべての異なるコンポーネントを最適化しなければなりませんでした。そうでなければ、産業界は真剣に取り組まないでしょう」と、Khan氏は述べている。

そのために、格子用の新しい材料が開発された。それが「GST467」である。GST467は、その名が示すとおり、ゲルマニウム、アンチモン、テルルの比率が4：6：7である化合物である。

GST467はメリーランド大学の研究者によって発見され、後にスタンフォード大学および台湾セミコンダクター・マニュファクチャリング社の研究者と共同で超格子PCRAMに使用されることになった。この新材料は、ナノメートルスケールの結晶ファセットを持っているため、ナノコンポジットと考えられている。

「これらは結晶化テンプレートとして機能します。このテンプレートによって、新しいビットが書き込まれたときにデバイスが結晶構造を取り戻すのが容易になるのです」と、Wu氏は述べている。

この新しい研究では、異なる組成の層をサンドイッチしたスタックの1層としてGST467を組み込んだ、さまざまなサイズのワーキングメモリーデバイスを数百個設計し、テストした。そして、この材料がどのように機能するかを確認するため、広範な電気測定とベンチマークテストを行った。

その結果、GST467メモリ・デバイスは、ほとんど電力を消費することなく、熱を材料内に閉じ込めたまま、高速動作を実現することがわかった。約40ナノ秒でスイッチングする40nmのデバイスを実現したのだ。

「GST467のユニークな組成により、スイッチング速度が特に速くなります。GST467をナノスケールデバイスの超格子構造に組み込むことで、低スイッチングエネルギーが可能になり、優れた耐久性、非常に優れた安定性が得られました」と、Khan氏は述べている。「これだけスイッチングが低ければ、ロジックとメモリの統合が可能です」。

また、0.7ボルトで動作することが確認され、低消費電力技術の目標である1ボルト以下で動作することも可能になった。、消費電力は1.5ピコジュール未満であった。これは、一般的なSSDよりも大幅に高速である。

「他のいくつかのタイプの不揮発性メモリはもう少し高速ですが、より高い電圧やより高い電力で動作します。「これらすべてのコンピューティング技術において、スピードとエネルギーはトレードオフの関係にあります。1ボルト以下で動作させながら、数十ナノ秒のスイッチングを実現していることは、非常に大きなことです」と、スタンフォード大学のピース・イエ教授（電気工学）であり、材料科学・工学の教授でもあるEric Pop氏は述べている。

さらに、抵抗ドリフトの程度が低く、約2億回のスイッチング・サイクルに耐え、8つの異なる抵抗状態としてデータを保存できるため、デバイスごとのマルチビット・ストレージやアナログ機械学習回路に使用できる。また、理論的には華氏248度（摂氏120度）以上の温度でも10年以上データを保持できるという。これは、「PCM技術の基本的なトレードオフを超える」ものであり、「優れたデバイス性能」をもたらすものである、と研究者らは述べている。

超格子はまた、小さなスペースに大量のメモリセルを詰め込んでいる。研究者たちは、メモリセルを直径40ナノメートル（コロナウイルスの半分以下）まで縮小した。これは、コロナウイルスの半分以下の大きさである。しかし、研究者たちは、メモリを垂直方向に積み重ねることでこれを補う方法を模索している。

「製造温度は、必要な温度よりかなり低いのです。人々は、密度を高めるために何千もの層でメモリを積層することについて話しています。このタイプのメモリは、そのような将来の3次元積層を可能にします」と、Pop氏。

この素材は、耐久性やスピードといった単一の指標を向上させるだけでなく、複数の指標を同時に向上させるという。また、研究者たちは、この材料を「我々が作った中で最も現実的で産業界に適したもの」であり、ユニバーサル・メモリに向けた重要な一歩であるとも述べている。

論文

• Nature: Novel nanocomposite-superlattices for low energy and high stability nanoscale phase-change memory

参考文献

• Stanford University: New candidate for universal memory is fast, low-power, stable, and long-lasting
• IEEE Spectrum: Nanostructures Bring Gains for Phase-Change Memory

研究の要旨

データ中心のアプリケーションは、相変化メモリ（PCM）をベースとするものを含め、今日のコンピューティング・システムにおけるエネルギー効率の限界に挑戦している。この技術は、高密度メモリー・アレイで成功するためには、ナノスケールの寸法で低消費電力と安定動作を達成しなければならない。ここでは、相変化材料超格子とナノコンポジット（Ge4Sb6Te7ベース）の新しい組み合わせを使用し、CMOS互換基板上の超格子技術としてはこれまでで最小寸法（約40nm）のPCMデバイスで、記録的な低電力密度≈5MW/cm2、スイッチング電圧≈0.7V（最新のロジックプロセッサと互換）を達成しました。これらのデバイスは同時に、8つの抵抗状態を持つ低抵抗ドリフト、優れた耐久性（≒2×108サイクル）、および高速スイッチング（≒40ナノ秒）を示している。効率的なスイッチングは、超格子材料内の強い熱閉じ込めとナノスケールのデバイス寸法によって可能になった。Ge4Sb6Te7ナノコンポジットの微細構造特性とその高い結晶化温度が、我々の超格子PCMデバイスの高速スイッチング速度と安定性を保証している。これらの結果は、PCM技術をエネルギー効率の高いデータストレージとコンピューティングのフロントランナーの1つとして再確立するものである。