為積極應對人工智慧（AI）時代日益嚴峻的電力危機，韓國三星旗下的先進技術研究院（SAIT）近日宣布了一項突破性的基礎技術，也就是研究人員在全球率先發現了一種核心機制，能夠將現有 NAND Flash 的功耗降低高達 96%，有望為解決能源消耗問題做出重大貢獻。而這項重要的研究成果已由 SAIT 與半導體研究所的 34 位研究人員共同撰寫，題為「用於低功耗 NAND Flash 的鐵電晶體管」論文，並成功發表於《自然》國際學術期刊上。
三星研究團隊指出，傳統的NAND Flash結構是透過向單元注入電子來儲存數據。為了不斷增加儲存容量，業界必須增加單元（堆疊層）的數量。然而，由於NAND Flash的單元是串聯結構，信號必須依次通過這些串聯的單元進行傳輸。因此，隨著堆疊層的增加，所需的電壓也會隨之升高，這直接導致讀寫功耗的顯著增加。
為此，市場上的下一代NAND Flash的研究方向轉向利用鐵電材料的特性。鐵電材料的優勢在於可以透過自發改變極化來存儲資訊，從而無需向單元注入電子。儘管如此，長期以來，如何在達成高容量的同時降低功耗，這一權衡關係一直未能得到解決。對此，三星SAIT的研究人員最終在氧化物半導體的固有特性中找到了突破口。氧化物半導體雖然普遍存在難以精確控制閾值電壓的缺點，但其優勢在於漏電流極低。
報告表示，研究人員首次發現將氧化物半導體難以控制閾值電壓的特性，與鐵電材料的極化控制效應相結合，可以做為一種核心機制，這一組合能夠顯著降低單元串運行所需的電壓。而且，透過這種創新的材料開發和結構理解，研究團隊成功克服了現有NAND Flash的結構限制。他們驗證了在保持每個單元5比特高容量的同時，功耗最多可降低96%。
研究團隊強調，這項技術一旦商業化，預計將極大化提升各個領域的能源效率。其應用範圍涵蓋從大型AI資料中心到移動和邊緣AI系統。具體而言，降低功耗能夠直接減少資料中心的運營成本，並有效延長行動設備的電池續航時間。三星透過展示這種有助於開發革命性低功耗、高容量固態硬碟（SSD）的技術方向，確保了其在未來市場的競爭力。
根據市場研究公司Omdia的預測，全球NAND Flash市場前景樂觀，該市場營收預計將從2024年的656億美元，成長到2029年的937億美元。在此期間，單位出貨量預計將以年均17.7%的速度成長。因此，三星的鐵電NAND Flash技術突破，無疑將在這一快速成長的儲存領域中占據核心地位。
(首圖來源：科技新報攝)
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