文|史这样滴
编辑|史这样滴
过去六十年来，微纳米技能行业的进步在很大程度上依赖于薄膜技能，薄膜沉积、光刻和蚀刻的多功能工艺为社会供应了功能强大的微型打算机，配备了换能器、通信通道和存储能力，纳米技能将连续为我们供应更多、更强大和更小的系统，这紧张是由于组件的尺寸不断减小。
但规模的持续缩小不可避免地导致基本限定的涌现，由于最小的信息单元存在于非易失落性存储系统（例如硬盘）中，因此在该区域首次碰着这些限定，它表现为写入位的热稳定性。
以是非易失落性数据存储将阔别磁性，可能朝着铁电或相变的方向发展，终极，我们将信息位存储到单个原子中，薄膜技能实质上是二维的，因此我们习气于丈量每单位面积晶体管或存储位数的进展。
然而，从用户的角度来看，只有每单位体积的元素数量是感兴趣的，彷佛已经可以设计新的策略，连续朝着增加体积密度而不是表面密度的方向提高。
由于基本限定首先在非易失落性存储中表现出来，因此将在这一领域迈出进入第三维度的第一步。
本文的关键思想是加工得当的纳米颗粒，并在自组装过程中组装它们，每个纳米粒子将具有存储一个或多个信息位的功能，当组装成三维构造时，体积数据密度可以远远超过二维存储的极限。
纳米颗粒的自组装
我们通过为粒子配备电子功能，我们开辟了通往三维处理器的道路，从长远来看，我们可以设想粒子与嵌入式数字电子、非易失落性存储器和通信电路的稠浊物，组合在立方毫米打算机中。
然而，这次的研究将仅限于非易失落性数据存储，我们将谈论数据存储路线图并估计何时达到限定，我们认为基于当今三维存储系统的办理方案无法知足密度或价格哀求。
个中显示了大型阵列首选三平面寻址方案，随后我们举两个例子，基于带有存储元件的晶体管和磁环芯，这种三维非易失落性存储器的实现将取决于我们勾引纳米粒子自组装的能力。
末了，我们将演示如何从有限数量的四方晶胞组装实际的三维环形核心存储器。
非易失落性数据存储的天下可以分为两个领域：
一方面，我们有机器地处理影象，个中信息通过读/写头的物理运动来办理，著名的例子是唱片机，几代光学存储介质，磁带和硬盘。
由于位尺寸由单个（或仅几个）读/写磁头的大小和定位精度决定，因此这些介质的数据密度常日非常高，然而机器寻址相对较慢，常日用于须要存储大量数据而不常常须要的情形。
在最高的数据密度在磁性硬盘存储中，目前约为800Gb/in2.硬盘数据密度的增长每年在40%到100%之间颠簸，预测是磁性存储仅限于约10Tb/in的数据密度2，再过八年，增长率为40%。
而探针存储技能供应了将数据密度提高到每个原子数据存储一位的可能性，此时，数据密度约为250Tb/in2，这将是在2020年，均匀增长率为每年60%，然而，目前尚不清楚区域数据度将如何增加超过这一点。
另一方面，我们有电寻址存储器，如DRAM，闪存，MRAM，相变RAM等，由于每个位都通过布线连接到外部天下，因此数据速率和访问韶光很高（ns），这些介质的容量或更好的位密度受到光刻技能的限定，并遵照半导体行业路线图，如果半间距线宽为Λ，则最小像元大小为4Λ2，并且以每个单元n位进行多级存储。
国际半导体技能路线图预测，到2020年，Λ将为11纳米（www.itrs.net），在估量每个单元4位的情形下，电寻址存储中的数据密度将为5Tb/in因此，电寻址存储器将过于昂贵。
目前无法在大容量数据存储系统中取代机器寻址存储器的浸染，个中毫秒的访问韶光不是问题，区域数据密度仅供应有关系统相对本钱的信息，而不供应有关终极维度的信息，从用户的角度来看。
我们对每单位体积的容量更感兴趣，这正是磁带记录系统仍旧存在的缘故原由，纵然它们的面密度比磁盘版本的磁数据存储低两个数量级，假设到2020年，探针记录系统将装入约1毫米厚的封装中。
原子极限下的体积数密度（250Tb/in）1020位/米3.这转化为（135nm）的位体积3利用当今的技能很难得到这些体积数据密度，更不用说超出该值了，紧张是由于物理事理不许可进一步减小位大小。
或者制造本钱变得太高，我们举两个例子，全息存储和闪存单元的堆叠，数据密度由光的波长决定，目前在商业系统中为405nm，只管实验室演示是在257nm处给出的。
但这些波长对付（135nm）来太大了3入口点，开拓在低于100nm波长下透明的记录材料是极其困难的，因此全息存储是否可以供应足够高的体积密度值得疑惑，此外，由于在所需的波长和定位系统下事情的激光器的尺寸，全3D全息系统将很大。
目前已经在闪存中履行的第二种办理方案是将硅晶圆变薄，并将固态存储器堆叠在一起，在20μm晶圆厚度下，11nm节点的体积数据密度就足够了，已经给出了75μm厚度的演示。
现在晶圆厚度彷佛可以低至5μm，纵然可以知足堆叠数十层的技能寻衅，该办理方案也不会具有本钱效益，由于堆叠不会降落每比特的价格（50个单独的芯片并不比堆叠在一起的50个芯片贵）。
只管具有有源电子功能的粒子非常吸引人，但在纳米粒子内部或通过组装实现晶体管在技能上非常具有寻衅性，由于它须要对掺杂浓度和界面质量进行出色的掌握，然而，作为迈向三维存储系统的第一步，我们可以以被动办法存储数据，将检测电子设备保持在自组装构造之外，因此须要避免寄生电流路径。
经研究我们认为该当可以在紧凑的三维阵列中排列基本存储单元，应通过适当掌握沿实心阵列边缘的三个坐标来选择卷内的存储元素然而，当时全3D阵列被证明很难制造，并且在实现中利用了更大略的2D平面堆栈。
在磁环芯存储器中，数据沿眇小磁环磁化循环方向存储信息是通过穿过环中央的导线的磁场写入的，单个环只能通过选择环的导线通报电流来选择该环。
只有在两根导线致动的环中，磁场才足够高以引起开关，因此环必须能够区分相差两倍的电流。
根据电流的方向，写入时钟或逆时针磁化模式，表示“1”和“0”二进制信息，磁环磁芯的利用非常优雅，由于在这种配置中，磁化的旋转为零，并且没有杂散磁场涌现，因此限定了元件之间的串扰。
在二维阵列中，通过考试测验再次覆盖环中的信息并监测通量的变革来检索信息，为此，在选择环形磁芯的两条线路上施加电流，第三根导线穿过所有磁芯用于检测磁通量的变革。从而产生感应电压，从该脉冲的存在与否可以得出磁化方向。
当检测到脉冲时，施加相反的电流来规复磁性元件的状态，亚微米环形磁芯的写入可以通过与宏不雅观环形磁芯类似的办法实现，然而，由于磁体积要小几个数量级，我们须要考虑室温下磁化方向的稳定性。
这种稳定性由磁化反转的能量势垒决定了40年的数据保留，该能垒应高于10kT，在附录A中，我们表明，对付135nm直径和50nm线径的环，磁场足够强以战胜120kT的能量障碍。
因此，像宏不雅观系统一样写作彷佛是可能的，不过读出的情形有所不同，当磁化反转时，通过检测线形成的电路的磁通量发生变革，从而产生电动势，磁通量变革与环芯线直径的平方成正比。
因此随着尺寸的缩小而迅速减小，检测线上的噪声与导线电阻的平方根成正比，因此信噪比随功率2.5而降落，这禁止了纳米级环形磁芯的这种毁坏性读数。
一样平常观点是制造大量相同的粒子，这些粒子的处理办法使它们在液体或气体环境中自发自组装，一种方法是生产具有疏水和亲水表面的颗粒。
当浸入水中时，疏水表面结合在一起，产生不规则或结晶附聚物，Glotzer很好地概述了该领域的技能水平，列出了许多不同类型的粒子和已实现的组件，大型阵列的无毛病组装具有寻衅性，将不才次更详细地谈论。
然而，一样平常来说，如果粒子相对较大，它们可能会在动力学上锁定在局部最小值中，避免这种情形的一种有希望的方法是利用模板化成长或胶体外延，例如通过利用重力，静电力或疏水/亲水相互浸染。
到目前为止，粒子是被动的，如果想要实现流体过滤器或光子晶体，这是有用的，虽然尚未得到证明，但正在考虑几种可行的路子，使其具有内部自由度或具有电子功能，具有设计的空间位阻和化学各向异性的纳米粒子。
它们可用只是韶光问题，具有与硅晶体构造相称的形式的纳米颗粒可以通过利用一些高pH溶液中蚀刻速率的巨大依赖性来制造，单晶硅四面体的加工在别处描述。
但是，在粒子上添加电子电路并不是一个紧张步骤，该技能许可通过角光刻技能修正四面体的顶点、边和面，显示了该方法产生的自由Si线框的初始结果，颗粒的大小由Si中的蚀刻逆构造决定。
现在我们可以在颗粒下方看到，整体尺寸由光刻确定，可以减小到100nm以下，由于颗粒在开释前仍与硅基板相连，因此可以在顶点、边缘和面上沉积不同的材料，实现此目的的一种可能方法是在去除Si之前以一定角度进行阴影蒸发。
以便Si基底使边缘和面与发生沉积的边缘和面相反，这可以与面、边缘或顶点的保护相结合，首先在一定角度下沉积材料，通过以特定顺序和特定角度进行多个沉积步骤，可以运用相称繁芜的材料组合，例如导体和磁性材料，而不必乞助于低于100nm的光刻技能。
后记：
现在已经表明，可以对纳米颗粒进行润色以勾引自组装成晶体，从而可以成长所示交叉点构造的规则构造，例如，纳米颗粒的一部分可以制成疏水性，以便将两亲性颗粒组装成类似于自然界中自组装构造的晶体构造成为可能。
例如拜会，或者，颗粒的一部分可以用有机试剂或生物覆盖，这些有机试剂或生物在溶液中充电;通过调节极性可以成长准离子晶体，乃至DNA链中的碱基对匹配也被证明是一种自组装的方法。
在经由组装后，我们可以利用聚合粘合剂等办法固定连接，对付有源组装，颗粒之间的一些连接须要导电，例如可以通过金打仗的扩散来实现，对付更大尺度的颗粒（300μm），现在已经成功地证明了基板内部电子元件的集成。
我们表明，环形核心存储器原则上可以每个存储单元的八个四边形线框元件组装而成，由五种不同类型的四面体组成，每种四面体具有不同的导电、非导电和磁性边缘组合，只管如此，其他配置也是可能的。
因此，我们相信自组装三维环形核心存储器的观点在技能上是可行的，并将为超越原子极限的数据存储办理方案供应有趣的第一步。
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