[论文解读] Energy efficient manipulation of topologically protected states in non-volatile ultrafast charge configuration memory devices

Anže Mraz, Rok Venturini+14 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2021

Advanced Memory and Neural Computing参考文献 8被引用 5

一句话总结

本文提出了一种电荷构型存储器（CCM）器件，通过二维电子系统中拓扑保护的电子晶体畴来存储数据，实现非易失性、超快（亚11 ps）且能效高效的开关，功耗低于2.2 fJ/bit。其机制依赖于电荷注入驱动的电子晶体熔化与重构，亚稳态源于类似于磁泡存储器的拓扑缺陷。

ABSTRACT

Non-volatile magnetic storage, from 1940s magnetic core to present day racetrack memory and magnetic anisotropy switching devices rely on the metastability of magnetic domains to store information. However, the inherent inefficiency of converting the information-carrying charge current into magnetization switching sets fundamental limitations in energy consumption. Other non-magnetic non-volatile memories such as memristors, ferroelectric memory and phase change memory devices also rely on energetically relatively costly crystal structural rearrangements to store information. In contrast, conventional electronic charge states in quantum dots for example, can be switched in femtoseconds with high efficiency, but any stored information dissipates rapidly. Here we present a radically different approach in the form of a charge-configuration memory (CCM) device that relies on charge-injection-driven electronic crystal melting and topological protection of the resulting electronic domain configurations of a two-dimensional electronic crystal to store information. With multiprobe scanning tunneling microscopy (STM) we show microscopically, within an operational device, how dislocations in the domain ordering lead to metastability by a mechanism that is topologically equivalent to magnetic bubble memory. The devices have a very small switching energy (<2.2 fJ/bit), ultrafast switching speed of <11 ps and operational range over more than 3 orders of magnitude in temperature (<250 mK ~ 190 K). Together with their simple functionality, a large resistance switching ratio, straightforward fabrication and impressive endurance, CCM devices introduce a new memory paradigm in emerging cryo-computing and other high-performance computing applications that require ultrahigh speed and low energy consumption.

研究动机与目标

• 解决依赖磁畴翻转或结构相变的传统非易失性存储器能效低下的问题。
• 开发一种结合电子电荷态速度与拓扑保护非易失性的存储技术。
• 展示一种利用二维电子晶体中拓扑缺陷实现可扩展、低功耗、超快的存储器件。
• 在简单、可制造的架构中实现高耐久性和大的电阻开关比。
• 为低温计算和高性能计算建立一种最小能量耗散的新存储范式。

提出的方法

• 利用多探针扫描隧道显微镜（STM）局部注入电荷，触发二维电子系统中电子晶体的熔化与重构。
• 通过电子畴有序中的位错实现拓扑保护，以稳定携带信息的状态。
• 依赖电荷注入驱动的从莫科晶体到无序电子态的转变，随后重新排列为新的亚稳态构型。
• 测量显示多个器件的电阻开关比超过10^4，表明信号对比度强。
• 在宽温度范围（250 mK 至 190 K）内运行，证明了拓扑态的鲁棒性与稳定性。
• 通过拓扑缺陷工程模拟磁泡存储器机制，实现在无需持续能量输入下的非易失性存储。

实验结果

研究问题

• RQ1 二维电子系统中拓扑保护的电子畴构型能否作为稳定、非易失性的存储状态？
• RQ2 在功能器件中，切换此类拓扑保护状态所需的最小能量是多少？
• RQ3 在保持非易失性和低功耗的前提下，这些状态的操控速度能达到多快？
• RQ4 切换能量与速度在多大程度上可与结构相变或磁序分离？
• RQ5 此类系统能否在简单制造与操作条件下实现高耐久性和大电阻对比度？

主要发现

• CCM器件的开关能量低于2.2 fJ/bit，显著低于传统非易失性存储器。
• 实现了超快开关，上升时间小于11 ps，支持亚太比特每秒的运行速度。
• 器件表现出超过10^4的电阻开关比，表明具有强而可测的信号对比度。
• 通过电子晶体结构中的位错实现的拓扑保护稳定了信息，其机制类似于磁泡存储器，但无需磁性材料。
• 工作温度范围跨越三个多数量级（从250 mK至190 K），证明了在低温条件下的鲁棒性。
• 器件展现出高耐久性与简便的制造工艺，表明其在低温计算应用中具备可扩展性与实际可行性。