IBM、旺宏和奇夢(mèng)達共同推出新型存儲芯片技術(shù)

 

尺寸非常小的新型“相變”內存速度遠遠快于閃存

來(lái)自IBM、旺宏和奇夢(mèng)達的科學(xué)家今天聯(lián)合發(fā)布他們的共同研究成果，這種新型計算機存儲器技術(shù)將有望取代已被廣泛用于計算機和消費類(lèi)電子產(chǎn)品（如數碼相機和便攜式音樂(lè )播放器）的閃存芯片。

新研究成果預示“相變”內存的前景一片光明，該內存的處理速度遠遠快于閃存，并且尺寸也比閃存小得多，從而使未來(lái)高密度“非易失性”存儲器以及功能更強大的電子設備的出現成為可能。非易失性存儲器無(wú)需利用電力來(lái)保存信息。通過(guò)將非易失性與優(yōu)異性能以及可靠性完美結合起來(lái)，相變技術(shù)還為面向移動(dòng)應用的通用存儲器開(kāi)辟了道路。 

來(lái)自三家公司的科學(xué)家們在位于美國東西海岸的兩個(gè)IBM研究中心實(shí)驗室一起設計、制作和展示相變內存原型：交換速度也比閃存快500倍，而寫(xiě)入數據的功耗不到閃存的一半。該器件的截面面積僅為3*20納米，遠比當今的閃存小，并且與業(yè)界預期的2015年芯片制造能力相吻合。新成果還表明，當相變存儲器尺寸隨摩爾定律減小時(shí)，其技術(shù)仍會(huì )不斷提高，這與閃存特性不同。

“這些成果充分證明，相變存儲器的前景將非常光明，”IBM研究院科技副總裁T.C. Chen博士說(shuō)道，“許多人都預計，在不久的將來(lái)閃存會(huì )遭遇嚴重的尺寸縮小限制。如今，我們推出了新型相變存儲材料，即使體積極其微小，該材料也會(huì )具有非常高的性能。這將最終導致相變存儲器對許多應用非常有吸引力?！?

這種新型材料是一種復雜的半導體合金，是在位于加州圣何塞的IBM阿爾馬登研究中心經(jīng)過(guò)深入的研究誕生的。該材料借助專(zhuān)門(mén)用于相變存儲單元的數學(xué)仿真設計而成。 

“許多新興的存儲技術(shù)，如相變存儲器，是奇夢(mèng)達高級存儲技術(shù)開(kāi)發(fā)的重要元素，”奇夢(mèng)達股份公司技術(shù)創(chuàng )新高級副總裁 Wilhelm Beinvogl 博士說(shuō)道，“我們已經(jīng)展示了這款體積非常小的相變存儲器的潛力，可以看出，相變存儲器在未來(lái)的存儲器系統中將發(fā)揮十分重要的作用?！?nbsp;

這一研究成果的技術(shù)細節將于本周在舊金山舉辦的電氣電子工程師協(xié)會(huì ) (IEEE) 2006年國際電子器件大會(huì ) (IEDM) 上進(jìn)行展示（論文30.3：“采用 GeSb 的超薄相變橋接存儲器”——Y.C.Chen等人，12月13日星期三上午）。該論文也是即將于2007年2月在舊金山舉辦的IEEE國際固態(tài)電子電路大會(huì )“2006年IEDM技術(shù)亮點(diǎn)”會(huì )議選中的五篇論文之一。

“旺宏自從成立以來(lái)就致力于非易失性存儲器的開(kāi)發(fā)，”旺宏電子總裁Miin Wu說(shuō)道，“IEDM和ISSCC的認可證明我們與IBM和奇夢(mèng)達的共同努力已經(jīng)在相變存儲器技術(shù)領(lǐng)域獲得成功。除了相變存儲器技術(shù)的突破，我們還在開(kāi)發(fā)新型NAND閃存技術(shù)——BE-SONOS，一種面向數據存儲應用的解決方案。我們一直致力于為我們的客戶(hù)提供高性能的先進(jìn)易非失性存儲器解決方案?！?

技術(shù)細節

計算機存儲單元通過(guò)在兩種易辨狀態(tài)（數字“0”或“1”）間迅速轉換的架構存儲信息。當前的大多數存儲器都是根據微小的存儲單元的有限區域中有無(wú)電荷來(lái)記錄數據的。業(yè)界處理速度最快和最經(jīng)濟的存儲設計分別是采用固有泄漏存儲單元的SRAM（靜態(tài)內存）和DRAM（動(dòng)態(tài)內存），因此，它們需要連續供電，如果是DRAM，還要不斷刷新。一旦電源中斷，這些“易失性”存儲器就會(huì )丟失它們所存儲的信息。 

當前使用的大多數閃存都有一個(gè)存放電荷的部分——“浮柵”，其設計特點(diǎn)是不會(huì )泄漏。因此，閃存可保持其存儲的數據并且只在讀、寫(xiě)或擦掉信息時(shí)需要供電。這種“非易失性”特征使得閃存被廣泛用于以電池供電的便攜式電子設備中。非易失性數據保留也是一般計算機應用的一大優(yōu)勢，但是在閃存上寫(xiě)入數據要比在DRAM或SRAM上寫(xiě)入數據慢上千倍。而且，閃存存儲單元在被寫(xiě)過(guò)大約10萬(wàn)次以后就會(huì )降質(zhì)并且變得不再可靠。這對于許多消費應用來(lái)說(shuō)并不是問(wèn)題，但對那些必須頻繁重寫(xiě)的應用，如計算機主存儲器或網(wǎng)絡(luò )的緩沖存儲器或存儲系統來(lái)說(shuō)，這將會(huì )帶來(lái)問(wèn)題。閃存在未來(lái)面臨的第三個(gè)問(wèn)題是，按照摩爾定律，現有的存儲單元設計在進(jìn)入45納米制程時(shí)，很難繼續保持非易失性特性。 

由IBM、旺宏和奇夢(mèng)達共同取得的相變存儲器成果極其重要，因為它不僅推出了一種新型非易失性相變材料（轉換速度比閃存快500倍，功耗不到閃存的一半），最重要的是，當其尺寸縮小為至少22納米時(shí)，依然可實(shí)現這些性能，遠遠領(lǐng)先浮柵閃存。 

該相變存儲器的核心是一小片半導體合金膜，它可以在有序的、具有更低電阻的結晶相位與無(wú)序的、具有更高電阻的非結晶相位之間快速轉換。因為無(wú)需電能來(lái)保持這種材料的任意一種相位，所以，相變存儲器是非易失性的。

該材料的相位是由用來(lái)加熱該材料的電脈沖的幅度和持續時(shí)間設定的。當材料被加熱至高于熔點(diǎn)時(shí)，合金的高能原子就會(huì )到處移動(dòng)，進(jìn)行隨機排列。突然停止電脈沖會(huì )使原子定格在隨機的非結晶相位。用大約10納秒的時(shí)間慢慢停止脈沖，原子將有足夠的時(shí)間重新排列為它們優(yōu)先選擇的有序結晶相位。

新型存儲器材料是一種鍺銻合金 （GeSb），在其中還加入（摻入）了少量其它元素以加強其性能。模擬研究使得研究人員可以微調和優(yōu)化該材料的性能，并且研究其結晶行為。新材料成分已經(jīng)申請專(zhuān)利。