未來(lái)存儲(chǔ)器有望實(shí)現(xiàn)“彎道超車”

許琦敏

手機(jī)App上輕輕一按，裝載有國(guó)產(chǎn)控制芯片的打印機(jī)里就吐出需要打印的照片，速度之快，讓蘋果的airprint也自嘆弗如。這其中的奧妙就在于芯片上使用了下一代存儲(chǔ)器——相變存儲(chǔ)器（PCRAM）。

近日，記者從中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱微系統(tǒng)所）獲悉，由該所宋志棠研究員課題組傾注十幾年心血，從基礎(chǔ)研究做到產(chǎn)業(yè)化的PCRAM，如今已集成在芯片上售出1500萬(wàn)片，實(shí)現(xiàn)銷售額超過億元。他們與中芯國(guó)際等企業(yè)一道，共同推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化，有望在每年市場(chǎng)價(jià)值幾十億美元的嵌入式芯片存儲(chǔ)器領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“彎道超車”。

挑戰(zhàn)下一代存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)化

大到數(shù)據(jù)中心，小到一個(gè)小小芯片，都離不開動(dòng)態(tài)內(nèi)存（DRAM）?，F(xiàn)在通用的DRAM有一個(gè)致命的缺點(diǎn)，那就是怕斷電——一旦斷電，在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)就會(huì)瞬間消失，再也找不回來(lái)。雖然也有可以隨時(shí)保存數(shù)據(jù)的閃存（FLASH），可數(shù)據(jù)擦寫、讀取都很慢。所以，盡管這些存儲(chǔ)器在各種地方廣泛使用，但科學(xué)家總希望找到一種更完美的下一代存儲(chǔ)器。

PCRAM就是這樣一種理想的存儲(chǔ)器：它通過電流和磁場(chǎng)的開關(guān)，讓存儲(chǔ)材料在晶體和非晶體間切換。由于改變的是材料的物理狀態(tài)，所以即使斷電，這種狀態(tài)也不會(huì)消失，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)很快的擦寫速度。

早在2002年，宋志棠就開始關(guān)注這個(gè)方向?！艾F(xiàn)在的主流存儲(chǔ)器，也曾經(jīng)過慘烈的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)時(shí)中國(guó)并沒有什么核心技術(shù)，基本被排斥在這個(gè)市場(chǎng)之外?！彼f，在下一代存儲(chǔ)器的幾種技術(shù)中，PCRAM是最接近產(chǎn)業(yè)化的，“如果我們可以有所突破，將可能在下一代存儲(chǔ)器領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)‘彎道超車，發(fā)展自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)?！?/p>

從適合現(xiàn)有科研水平的市場(chǎng)入手

“如果再來(lái)一次，估計(jì)我不會(huì)一頭扎進(jìn)去，太難了！”宋志棠說，在研究所的支持下，他的課題組從2003年開始不斷尋找適合做PCRAM的材料，材料找到了，卻無(wú)法做成納米級(jí)器件——如果做不出，什么實(shí)用價(jià)值都沒有?？裳芯克鶝]有做器件的條件，怎么辦？

一次偶然的機(jī)會(huì)，他找到了中芯國(guó)際集成電路制造（上海）有限公司，雙方一拍即合，共同組建團(tuán)隊(duì)，申請(qǐng)國(guó)家項(xiàng)目，搭建起8至12英寸PCRAM研發(fā)平臺(tái)，并于2007年1月建立了“納米半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”。

微系統(tǒng)所側(cè)重解決科學(xué)問題，中芯國(guó)際主攻工藝開發(fā)，經(jīng)過14年努力，終于實(shí)現(xiàn)相變材料制備工藝和中芯國(guó)際180納米～28納米標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝無(wú)縫對(duì)接。

為了契合中芯國(guó)際的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，微系統(tǒng)所定下了一條PCRAM的產(chǎn)業(yè)化路線：避開英特爾、三星等已在大力投入和布局的非嵌入式芯片領(lǐng)域，專攻在大量消費(fèi)類電子產(chǎn)品中使用的嵌入式芯片?！笆謾C(jī)等消費(fèi)類電子產(chǎn)品，我國(guó)本就是制造大國(guó)，產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品升級(jí)都會(huì)對(duì)嵌入式芯片提出大量需求?！彼沃咎恼f，盡管這塊市場(chǎng)沒有非嵌入式芯片存儲(chǔ)器的市場(chǎng)大，但更適合中國(guó)現(xiàn)有的科研和技術(shù)水平。

做成器件，還得能應(yīng)用，才能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。這時(shí)，珠海埃派克科技股份有限公司通過科技新聞報(bào)道找到了宋志棠。從2011年起，該公司幾乎年年投入上億元研發(fā)經(jīng)費(fèi)，為企業(yè)未來(lái)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)投資。

“高?？梢宰鲆磺酒米詈玫囊活w來(lái)發(fā)論文，但企業(yè)卻要找出最差的那顆來(lái)改進(jìn)技術(shù)?！敝楹０Ｅ煽丝萍脊煞萦邢薰炯夹g(shù)負(fù)責(zé)人丁勵(lì)說，最新研發(fā)的打印機(jī)芯片，如今已售出1500萬(wàn)片，4個(gè)月來(lái)用戶反映出錯(cuò)率低于千分之一。

基礎(chǔ)研究不斷獲得領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)

微系統(tǒng)所PCRAM項(xiàng)目組研究員陳后鵬解釋，現(xiàn)用存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)讀取方法，就好像從一個(gè)圖書館里取資料，硬盤、固化內(nèi)存等就像書庫(kù)，DRAM就好比閱覽區(qū)——必須把數(shù)據(jù)從書庫(kù)里找到，提取到閱覽區(qū)，才能計(jì)算、操作，最后根據(jù)需要存儲(chǔ)下來(lái)。但PCRAM卻好像超級(jí)大黑板，所有數(shù)據(jù)都能直接找到并操作，省去了數(shù)據(jù)“搬運(yùn)”過程，運(yùn)算速度直線上升。

“我們測(cè)試了100兆的數(shù)據(jù)搜索，用PCRAM只需1秒，比傳統(tǒng)存儲(chǔ)器快了19倍。”陳后鵬說，100兆的數(shù)據(jù)量相當(dāng)于一部《二十五史》的信息量。

目前，宋志棠團(tuán)隊(duì)是世界上唯一掌握嵌入式芯片PCRAM核心技術(shù)的團(tuán)隊(duì)。不過，存儲(chǔ)器技術(shù)更迭向來(lái)風(fēng)云變幻。要尋找功耗更低、速度更快的相變存儲(chǔ)器材料，還得依靠基礎(chǔ)研究的不斷突破。

如今，宋志棠團(tuán)隊(duì)已在實(shí)驗(yàn)室找到了性能更好的材料，正在進(jìn)行性能測(cè)試?！?011年，我們的8兆芯片就實(shí)現(xiàn)了全部存儲(chǔ)功能，當(dāng)時(shí)錄下的音頻，現(xiàn)在還能清晰播放。”宋志棠說，那還是180納米芯片的技術(shù)，現(xiàn)在他們正在主攻40納米芯片的存儲(chǔ)器，這是國(guó)家集成電路科技重大專項(xiàng)的主要任務(wù)。

初步打通“原始創(chuàng)新—技術(shù)開發(fā)—產(chǎn)業(yè)化”鏈條的全部關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在產(chǎn)學(xué)研緊密配合的模式下，可以預(yù)見，國(guó)產(chǎn)PCRAM技術(shù)將為我國(guó)的半導(dǎo)體行業(yè)帶來(lái)新的發(fā)展契機(jī)。