数字存储器的生命周期评估：忆阻器的环境足迹

《Sustainable Computing: Informatics and Systems》：Life Cycle Assessment of digital memories: The memristor’s environmental footprint

降低能耗与材料环境影响，优化忆阻器制造工艺。

　　随着科技的快速发展，特别是在人工智能（AI）和数据存储需求不断增长的背景下，忆阻器（memristor）作为一种具有革命性潜力的新型电子元件，正逐步成为推动下一代数字设备发展的关键技术之一。忆阻器因其独特的记忆特性，能够以更低的能耗实现数据存储与处理功能，被视为克服冯·诺依曼瓶颈、提升计算效率和降低硬件能耗的重要手段。然而，尽管忆阻器在性能和应用潜力方面表现出色，其在环境可持续性方面的表现却鲜有深入研究。因此，本文通过生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）方法，对五种不同架构的忆阻器进行了系统分析，重点考察了其制造过程中的材料使用和环境影响，以期为未来忆阻器技术的可持续发展提供科学依据。

忆阻器的制造过程涉及多种材料和工艺，这些材料和工艺的选择对环境影响具有决定性作用。研究中涵盖了两种基于新型钙钛矿（MAPI）的忆阻器（M1A和M1B）以及三种基于氧化铪（HfO?）的忆阻器（M2A、M2B和M3C），每种忆阻器在活性层和电极材料上有所不同。例如，M1A和M1B使用了不同的金属电极材料（银和金），而M3C则采用了三明治结构，由氧化铝（Al?O?）、氧化铪（HfO?）和氧化铝组成。这些材料的选择不仅影响忆阻器的性能，还直接决定了其在整个制造过程中对环境的影响程度。此外，制造过程中涉及的光刻和溅射等工艺，由于其高能耗特性，成为影响环境的重要因素。

在对五种忆阻器的环境影响评估中，研究团队采用了国际标准ISO 14040-44以及ReCiPe方法，全面分析了18个环境影响类别，包括淡水生态毒性、全球变暖潜力、资源枯竭等。评估结果显示，基于钙钛矿的忆阻器（M1）在多个环境影响类别中表现最差，尤其是淡水生态毒性方面，其影响远高于其他类型的忆阻器。相比之下，基于氧化硅（SiO?）的忆阻器展现出最低的环境影响，表明在材料选择上，SiO?具有显著的环境优势。此外，制造过程中涉及的光刻和溅射等工艺，特别是在实验室规模下，对能源消耗和环境影响贡献较大，这表明未来需要在工业化生产中优化这些工艺，以实现更低的能耗和更小的环境足迹。

值得注意的是，许多用于忆阻器制造的关键材料已被列为国际能源署（IEA）认定的“关键原材料”（Critical Raw Materials, CRMs），这些材料的供应安全、资源稀缺性和环境可持续性成为当前研究的重要议题。例如，钼（MoS?）因其在多个环境影响类别中的高影响值，成为最值得关注的材料之一，而铜氧化物（CuO）和钨氧化物（WOx）也表现出较高的环境负担。相比之下，氧化硅（SiO?）则因其低影响值而被认为是较为环保的选择。此外，铂（Pt）和金（Au）作为电极材料，虽然在性能上表现出色，但其环境影响远高于其他材料，如铜、石墨烯氧化物（GO）和氧化钛（ITO）等，这些材料在资源消耗和环境负担方面相对较低。

为了确保LCA结果的可靠性，研究团队基于Ecoinvent数据库的“谱系矩阵”（pedigree matrix）对数据质量进行了严格评估。同时，研究还结合了实验数据和文献资料，以确保评估结果的全面性和准确性。此外，研究中还特别关注了制造过程中的不确定性，尤其是在工业规模下的应用。通过对不同制造条件下的分析，研究发现某些环境影响类别，如人类致癌毒性，对输入数据和建模假设极为敏感，因此在解释结果时需格外谨慎。相比之下，全球变暖潜力和资源枯竭等类别则表现出较低的变异性，这可能与这些类别中主要影响因素的稳定性有关。

研究还特别指出，随着信息技术（ICT）的快速发展，其对全球能源消耗和碳排放的影响正在持续上升。根据预测模型，ICT行业在2030年和2035年的碳排放量将达到945 MtCO?-e和991 MtCO?-e。其中，数据中心的碳排放占ICT行业总排放的约2%至4%，而冷却系统的能耗则占数据中心总能耗的30%至40%。因此，减少数据中心的能耗和碳排放成为推动可持续发展的关键方向。在这一背景下，忆阻器技术作为新一代存储和计算设备，其环境影响评估不仅有助于识别制造过程中的关键问题，也为未来ICT行业的绿色转型提供了重要参考。

忆阻器的制造过程涉及多个阶段，包括材料提取、加工、制造和组装。其中，光刻和溅射工艺由于其高能耗特性，成为影响环境的主要因素。特别是在实验室规模下，这些工艺的能源消耗和环境负担尤为显著。因此，研究建议未来在工业化生产中优化这些工艺，以降低整体的环境影响。同时，研究还指出，不同材料的选择对环境影响具有显著差异，例如，钙钛矿基忆阻器的环境影响远高于氧化硅基忆阻器，而氧化铪基忆阻器则表现出相对较低的环境负担。这些发现对于指导未来忆阻器材料的选择和制造工艺的优化具有重要意义。

在材料选择方面，研究团队对每种材料的环境影响进行了详细分析，并结合了其在关键原材料清单中的地位，以及其在资源消耗和碳排放方面的表现。例如，钼和钨被列为关键原材料，其在资源枯竭和全球变暖方面的表现尤为突出，而氧化硅则因其较低的环境影响成为优选材料。此外，研究还指出，铜和镍虽然不满足关键原材料的标准，但因其在资源消耗和环境负担方面相对较低，仍可作为替代材料进行研究。通过对不同材料的综合评估，研究为未来忆阻器技术的可持续发展提供了材料选择的科学依据。

为了进一步推动忆阻器技术的可持续发展，研究团队建议未来的研究应关注以下几个方面：一是优化制造工艺，特别是减少实验室规模下高能耗工艺的使用，提高生产效率；二是探索更具环境友好性的材料，以降低整体的环境影响；三是加强材料供应链的可持续性研究，确保关键原材料的供应安全和资源的合理利用。此外，研究还强调了在LCA过程中对不确定性分析的重要性，以确保评估结果的可靠性和可比性。

总的来说，这项研究为忆阻器技术的环境影响评估提供了系统的方法论支持，并揭示了不同材料和制造工艺对环境影响的显著差异。研究结果表明，基于氧化硅的忆阻器在环境影响方面具有明显优势，而基于钙钛矿的忆阻器则表现出较高的环境负担。这些发现不仅有助于指导忆阻器技术的开发方向，也为未来ICT行业的绿色转型提供了重要的参考依据。通过综合考虑材料选择、制造工艺优化和供应链可持续性，忆阻器技术有望在提升性能的同时，实现更低的环境影响，从而推动新一代数字设备的可持续发展。