为了扩展微电子的能力边界，以满足人类日益增长的需求，需要能够在极低和极高温度下运行的新组件。在第一种情况下，可以连接经典计算机和量子平台。在第二种情况下，有一种方法可以在极深的地方工作，例如在高超音速和太空中，例如在火箭发动机控制系统中。这很重要。

近期，宾夕法尼亚大学的一组科学家在《自然电子学》杂志上发表了一篇文章，他们报告了铁电非易失性存储器（铁二极管）原型的开发和创建，该原型能够在高达600°C的温度下连续工作60小时。


耐高温存储器持续突破

耐高温存储器的研发对于极端环境下部署相关应用有重要的价值。比如，在随钻测井(LWD)方面，这是一种先进的测井技术，是地质导向钻井系统的重要组成部分，它提供的信息是井眼轨道控制决策的重要依据。不过，这项应用的挑战在于，由于勘测环境的高温，很多数据无法存储，也就无法获取准确的地质情况，以及无法用于设备的进一步研发。

像随钻测井(LWD)这类型的应用，一般都要求存储设备具备150℃的耐温，不过我们都知道传统存储器一般耐温范围是-40℃到125℃。因此，150℃耐温也是一个关键点。

2021年时，日本当时的初创企业Floadia(富提亚科技)就研发出了一种150℃高温下数据可保存10年的每单元7个比特(7bpc)的闪存。这种存储进行了结构和材料创新，据报道，Floadia在硅-氧化物-氮化物-氧化物-硅(SONOS)布局的基础上，使用分布式电荷捕获型结构，中间设置了一层氮化硅薄膜，可以牢牢捕获电荷，另外使用了二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)材料，使得这种闪存的耐温达到了150℃。

当然，实际上在2018年之前，存储器的耐温记录已经达到了200℃，因此研发200℃以上耐温的存储器才是科技前沿。

2018年南京大学物理学院缪峰教授课题组与南京大学现代工程与应用科学学院王鹏教授、马萨诸塞大学杨建华教授就将忆阻器的耐温记录提升到了340℃。在这个项目中，课题组利用二维层状硫氧化钼（MoS2-xOx）、石墨烯构成三明治结构的范德华异质结，实现了基于全二维材料的、可耐受超高温和强应力的高鲁棒性忆阻器。这种新型的结构和材料，可以让忆阻器的擦写速度小于100 ns ，可擦写次数超过千万次，并且在340℃高温环境下可以稳定地工作。


存储器的创新在于材料

该新型存储器属于非易失性类型，意味着即使断电，存储的信息也能得以保存。与之形成对比的是，常规的硅基闪存产品在温度攀升至200℃以上时便开始失效，从而引发设备错误及数据丢失。

创新之处在于，此存储器采用了铁电氮化铝钪(AIScN)作为核心材料。AIScN的独特优势在于，它能够在较高温度下，即便没有外加电场，依然能维持特定的电状态，如开或关。此外，AIScN的晶体结构赋予了其原子间更为稳定和坚固的键合，这不仅增强了材料的耐热性，也极大地提升了耐用度。

在最新的研究上，宾夕法尼亚大学团队用氮化铝钪突破了存储器的耐温记录。该存储设备由金属—绝缘体—金属结构组成，包括镍和铂电极以及一层45纳米厚的AlScN。这种结构设计使该存储器能与高温碳化硅逻辑器件兼容，与专为极端温度设计的高性能计算系统协同工作。据悉，在这个结构中，氮化铝钪带来的好处是能够在更高温度下保持开和关等特定电状态。

从设计上看，这款存储器构建于金属-绝缘体-金属的基础架构上，配置了镍和铂作为电极，并嵌入了一层仅45纳米厚的AISCN薄膜。这样的结构设计不仅使得存诸器能够与针对极端温度优化的碳化硅逻辑器件无缝对接，还确保了它能与高性能计算系统协同作业，尤其适合那些专为严酷环境定制的系统。


极端环境计算添新利器

对于一些严苛环境来说，部署人工智能系统的意义更为重大，因为这些环境是不允许人类到达的。不过，由于传统存储器在耐温方面存在不足，导致很多项目无法成行。

这款可在600℃高温下持续工作60小时的存储器。这一耐受温度是目前商用存储设备的两倍多，表明该存储器具有极强的可靠性和稳定性，有望在可导致电子或存储设备故障的极端环境下大显身手，也为在恶劣条件下进行密集计算的人工智能系统奠定了基础。

研究人员表示，这款存储器是一种非易失性设备，能在无电源状态下长期保留存储器上的信息。相较之下，传统硅基闪存在温度超过200℃时便开始失效，导致设备故障和信息丢失。此外，新存储器是一种“内存增强型计算”设备，很稳定，能使内存和处理元件更紧密地集成在一起，提高计算的速度、复杂性和效率。他们将继续探索将新设备用于极端环境下运行的AI系统。

该项目由来自宾夕法尼亚大学的 Deep Jariwala 带领，他表示：“从钻探地球深部到探索太空，我们的高温存储设备可以带来先进的计算，而其他电子设备和存储设备则无法做到这一点。这不仅仅是改进设备，而是开辟了新的领域”。