新发现的相分离作用可以帮助开发用于节能人工智能计算的存储器件。

研究人员发现，相分离和氧气扩散对记忆电阻器，特别是电阻随机存取存储器（RRAM）中的信息的长期保存至关重要。这一发现挑战了之前认为保留能力有限的模型，突出了节能人工智能和用于太空探索的硬存储芯片的潜在应用。

忆阻器的记忆

根据最近发表在科学杂志《物质》上的密歇根大学领导的一项研究，当分子像油和水一样分离时，相分离与氧气扩散一起工作，帮助记忆电阻器（利用电阻存储信息的电子元件）即使在断电后也能保留信息。

到目前为止，由于模型和实验不匹配，解释还没有完全理解记忆电阻器是如何在没有电源的情况下保留信息的，即所谓的非易失性存储器。

调查长期数据保留

密歇根大学材料科学与工程专业博士研究生、该研究的第一作者李景贤（音译）说：“虽然实验表明设备可以保留信息超过10年，但社区使用的模型表明，信息只能保留几个小时。”

为了更好地理解驱动非易失性忆阻存储器的潜在现象，研究人员专注于一种被称为电阻随机存取存储器或RRAM的设备，这是经典计算中使用的易失性RAM的替代品，在节能人工智能应用中特别有前景。

发现相分离的作用

所研究的特定RRAM是一种灯丝型价态变化存储器（VCM），在两个铂电极之间夹有绝缘钽氧化物层。当向铂电极施加一定的电压时，导电丝形成钽离子桥，穿过绝缘体到达电极，这允许电流流动，使电池处于低电阻状态，表示二进制代码中的“1”。如果施加不同的电压，当返回的氧原子与钽离子反应时，灯丝会溶解，使导电桥“生锈”并返回高电阻状态，表示二进制代码“0”

人们曾经认为，RRAM可以长时间保存信息，因为氧气扩散的速度太慢。然而，一系列的实验表明，以前的模型忽略了相分离的作用。

影响及应用

“在这些装置中，氧离子倾向于远离灯丝，即使经过一段不确定的时间也不会扩散回来。这个过程类似于水和油的混合物不会混合，无论我们等待多长时间，因为它们在非混合状态下的能量较低，”密歇根大学材料科学与工程助理教授、该研究的资深作者李益阳（音译）说。

为了测试滞留时间，研究人员通过提高温度来加快实验速度。在250℃下工作一小时相当于在85℃下工作100年 —— 这是计算机芯片的典型温度。

技术进步与未来展望

利用原子力显微镜的极高分辨率成像，研究人员对细丝进行了成像，这些细丝只有大约5纳米或20个原子宽，在1微米宽的RRAM设备中形成。

“我们很惊讶能在设备中找到灯丝。这就像大海捞针，”李说。

研究小组发现，不同尺寸的细丝产生了不同的保留行为。小于5纳米的细丝随着时间的推移而溶解，而大于5纳米的细丝则随着时间的推移而增强。基于尺寸的差异不能仅仅用扩散来解释。

结合热力学原理的实验结果和模型表明，导电细丝的形成和稳定性取决于相分离。

研究小组利用相分离技术，将记忆保存时间从一天延长到10年以上，这是一种用于太空探索的可承受辐射暴露的存储设备。

其他应用包括用于更节能的人工智能应用的内存计算或用于电子皮肤的存储设备 —— 一种可拉伸的电子接口，旨在模仿人类皮肤的感觉能力。这种材料也被称为电子皮肤，可用于为假肢提供感官反馈，制造新的可穿戴健身追踪器，或帮助机器人开发触觉，以完成精细任务。

李益阳说：“我们希望我们的发现能激发出使用相分离来制造信息存储设备的新方法。”

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