國產(chǎn)相變存儲器突破，打印機用芯片成本降低20%

　　每生產(chǎn)一個(gè)打印機用的芯片，僅去掉電池一項，成本就能降低20%。中科院上海微系統與信息技術(shù)研究所信息功能材料國家重點(diǎn)實(shí)驗室主任宋志棠，興奮地給解放日報·上觀(guān)新聞?dòng)浾咚懔艘还P賬，他們聯(lián)合中芯國際集成電路制造(上海)有限公司和珠海艾派克微電子有限公司開(kāi)發(fā)的相變存儲器芯片，無(wú)需像其他芯片一樣攜帶電池，大小不到1平方厘米，不僅增加了系統穩定性，更加環(huán)保，還節省了加工費，4個(gè)月來(lái)已完成銷(xiāo)售1600萬(wàn)顆。這是國際上第一個(gè)嵌入式相變存儲器實(shí)現產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品。

　　在上海微系統所的信息功能材料國家重點(diǎn)實(shí)驗室，解放日報·上觀(guān)新聞?dòng)浾呖吹?，同樣查?xún)98Mb的資料，安裝了這種相變存儲器的裝置，只需1秒鐘即可完成，而傳統存儲器驅動(dòng)的裝置則需19秒。從率先在國內開(kāi)展研發(fā)，到開(kāi)發(fā)出中國第一款具有自主知識產(chǎn)權的相變存儲器芯片，再到真正實(shí)現產(chǎn)業(yè)化銷(xiāo)售，這條產(chǎn)學(xué)研之路整整走了14年。

　　下一代存儲技術(shù)的最佳解決方案之一

　　所謂“相變”，即物質(zhì)從一種“相”變成另外一種“相”，例如水從液態(tài)轉化為固態(tài)。相變存儲器就是利用特殊材料在晶態(tài)和非晶態(tài)之間進(jìn)行可逆轉變，實(shí)現信息的寫(xiě)入和擦除，通過(guò)電阻變化實(shí)現數據讀出。相變存儲器具有非揮發(fā)性(斷電后儲存的資料不會(huì )消失)、循環(huán)壽命長(cháng)、寫(xiě)入速度快、穩定性好、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，被業(yè)界認為是下一代存儲技術(shù)的最佳解決方案之一。

　　集成電路產(chǎn)業(yè)是我國新型戰略性產(chǎn)業(yè)，半導體存儲器是該產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，去年約占集成電路產(chǎn)業(yè)23%的市場(chǎng)份額。2016年全球存儲器產(chǎn)出5000多億元，我國就消耗了54.1%，大約有2800億元，但國產(chǎn)芯片的自給率還不足10%。一般通用的存儲器芯片有動(dòng)態(tài)隨機存儲器和閃存兩種，占了95%的市場(chǎng)份額。由于計算機的交互傳輸，數據在其間不停地倒來(lái)倒去，動(dòng)態(tài)隨機存儲器雖然速度快壽命長(cháng)，但一斷電就沒(méi)有了;閃存雖可以保存數據，但速度慢壽命短。

　　能否找到一種低壓低功耗高速度的存儲器呢?其實(shí)早在上世紀七十年代，相變材料就被發(fā)現了，但一直沒(méi)有產(chǎn)業(yè)化，因為當時(shí)加工尺寸大，和集成電路不匹配。2003年，宋志棠萌生了研發(fā)相變存儲器的念頭。盡管這在國內還是一片空白，納米技術(shù)也剛剛起步，當時(shí)的所領(lǐng)導給予了大力支持，把這一項目列入了中科院創(chuàng )新研究工程。

　　第一款有自主知識產(chǎn)權的相變存儲器芯片

　　盡管一開(kāi)始是基礎研究，但最難之處在于：必須在納米尺度下才能測出相變材料的屬性，也就是比頭發(fā)絲還要小100倍的存儲單元，才能發(fā)生可逆相變。其次，在相變的過(guò)程中，從非晶態(tài)到晶態(tài)，體積會(huì )縮小7%。面對這些困難，宋志棠團隊沒(méi)有放棄。既然要在納米尺度下才能做研究，那就干脆搭建了一個(gè)納米加工平臺，直到現在，這個(gè)平臺還面向長(cháng)三角地區開(kāi)放。體積會(huì )改變，那就改進(jìn)工藝，改了上百次，終于得到了實(shí)現存儲的一個(gè)相變單元。期間，關(guān)于相變材料的基礎研究也取得了突破。

　　一個(gè)相變單元可以做到高效存儲，但一百個(gè)單元的納米陣列能否實(shí)現存儲還很難說(shuō)。在一平方毫米的空間做出100萬(wàn)個(gè)以上的存儲單元，這是一個(gè)工程化的研究過(guò)程，已經(jīng)難以在實(shí)驗室里完成。宋志棠至今清晰記得，2007年1月的一個(gè)晚上，就在他煙霧繚繞的辦公室，中芯國際集成電路制造(上海)有限公司的兩位負責人，決定和上海微系統所一起組建“納米半導體存儲技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗室”。在聯(lián)合攻關(guān)下，他們終于研制成功中國第一款具有自主知識產(chǎn)權的8Mb相變存儲器芯片，并實(shí)現全部存儲功能，成功實(shí)現音頻錄放功能演示，引起了國內外同行的廣泛關(guān)注。

　　這個(gè)時(shí)候距離產(chǎn)業(yè)化，盡管還差一口氣，但卻是關(guān)鍵的一步。宋志棠離開(kāi)實(shí)驗室，到各地去推銷(xiāo)芯片。盡管這是一個(gè)新技術(shù)，但能否變成產(chǎn)品，很多企業(yè)都有疑慮，覺(jué)得不如使用現成的成熟技術(shù)，組裝了就能銷(xiāo)售。被無(wú)數家企業(yè)拒絕后，2012年12月，上海微系統所和珠海艾派克簽署了戰略合作協(xié)議，決定共同推進(jìn)相變存儲器在打印機芯片中的應用。

　　“要成為老百姓用的商品，就要經(jīng)受得住考驗。”宋志棠說(shuō)，樣品交付時(shí)，先是放在200多攝氏度高溫的火里烤了一天，再一個(gè)個(gè)單元進(jìn)行測試，錯誤率必須控制在千分之五。再拿到一百多臺打印機上去試驗，人為制造各種故障，錯誤率依然要控制在千分之五。就這樣，一個(gè)最初的科學(xué)想法，終于變成了一個(gè)批量化生產(chǎn)的商品。英特爾公司投入了200多億元實(shí)現相變存儲器的商用，而這支團隊只用了四五億元就實(shí)現了嵌入式相變存儲器的產(chǎn)業(yè)化。

　　相變存儲器在其他領(lǐng)域還有很大的空間

　　“就像城市里的高架一樣，一塊芯片有立體的6層，如果仔細解剖出來(lái)比地圖還復雜。”一直和材料打交道的宋志棠對芯片有著(zhù)一種特殊感情。說(shuō)起集成電路產(chǎn)業(yè)，他有些焦慮，因為許多國際知名公司都在大陸紛紛建廠(chǎng)，很多核心技術(shù)還掌握在他們手里。說(shuō)起相變存儲器未來(lái)的應用，他又有了信心，因為現在的打印機用相變存儲器芯片實(shí)際只用了1Mb的存儲，而他們現在已經(jīng)實(shí)現了128Mb，在其他領(lǐng)域還有很大的空間。

　　前方的路，還需跋涉。宋志棠說(shuō)，接下來(lái)團隊將繼續推進(jìn)嵌入式芯片的產(chǎn)業(yè)化，他將同時(shí)著(zhù)手大容量高密度的獨立式相變存儲器的基礎研究。