當今數(shù)據(jù)生產(chǎn)呈現(xiàn)爆炸式增長，傳統(tǒng)的馮·諾依曼計算架構已成為未來繼續(xù)提升計算系統(tǒng)性能的主要技術障礙。相變隨機存取存儲器（PCRAM）可以結合存儲和計算功能，是突破馮·諾依曼計算構架瓶頸的理想路徑選擇。它具有非易失性、編程速度快和循環(huán)壽命長等優(yōu)點。然而，PCRAM中相變材料與加熱電極之間的接觸面積較大，造成相變存儲器操作功耗較高，如何進一步降低功耗成為相變存儲器未來發(fā)展面臨的最大挑戰(zhàn)之一。縮小加熱電極尺寸是降低功耗的關鍵。

石墨烯納米帶（GNR）是一種準一維的石墨烯納米結構，其具有超高載流能力（＞10⁹ A/cm²），且熱穩(wěn)定性高，可以用作相變存儲器的加熱電極。

中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所研究員宋志棠、王浩敏組成聯(lián)合研究團隊，首次采用GNR邊緣接觸制備出目前世界上最小尺寸的相變存儲單元器件。7月18日，相關研究成果以《通過石墨烯納米帶邊界接觸實現(xiàn)相變存儲器編程功耗最小化》（Minimizing the programming power of phase change memory by using graphene nanoribbon edge-contact）為題，在線發(fā)表在《先進科學》（Advanced Science）上。

研究團隊采用石墨烯邊界作為刀片電極來接觸相變材料，可實現(xiàn)萬次以上的循環(huán)壽命。當GNR寬度降低至3 nm，其橫截面積為1 nm²，RESET電流降低為0.9 μA，寫入能耗低至~53.7 fJ。該功耗比目前最先進制程制備的單元器件低近兩個數(shù)量級，幾乎是由碳納米管裂縫（CNT-gap）保持的原最小功耗世界紀錄的一半。同時，GNR作為加熱電極且充當半導體溝道材料，可在2.5 MHz的時鐘頻率下實現(xiàn)D型觸發(fā)器的時序邏輯功能。

這是目前國際上首次采用GNR邊緣接觸實現(xiàn)極限尺寸的高性能相變存儲單元，器件尺寸接近相變存儲技術的縮放極限，實現(xiàn)了超低功耗、高編程速度、出色的高/低電阻比，并展現(xiàn)出良好穩(wěn)定性/耐用性。該新型相變存儲單元的成功研制代表了PCRAM在低功耗下執(zhí)行邏輯運算的進步，為未來內(nèi)存計算開辟了新的技術路徑。

研究工作得到國家自然科學基金委員會、國家重點研發(fā)計劃、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項和上海市科學技術委員會等的支持。

圖1.采用GNR邊緣接觸制備出目前世界上最小尺寸的相變存儲單元器件（a）相變存儲單元結構示意圖；（b）功耗與接觸面積的關系。

圖2.器件循環(huán)壽命的偏壓極性依賴性。（a）測量設置示意圖；（b）~3 nm 寬 GNR 邊界電極相變存儲單元在不同電壓極性下的循環(huán)壽命。