国产相变存储器突破 打印机用芯片成本降低20%

每生产一个打印机用的芯片，仅去掉电池一项，成本就能降低20%。中科院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室主任宋志棠，兴奋地给解放日报·上观新闻记者算了一笔账，他们联合中芯国际集成电路制造(上海)有限公司和珠海艾派克微电子有限公司开发的相变存储器芯片，无需像其他芯片一样携带电池，大小不到1平方厘米，不仅增加了系统稳定性，更加环保，还节省了加工费，4个月来已完成销售1600万颗。这是国际上第一个嵌入式相变存储器实现产业化的产品。

在上海微系统所的信息功能材料国家重点实验室，解放日报·上观新闻记者看到，同样查询98Mb的资料，安装了这种相变存储器的装置，只需1秒钟即可完成，而传统存储器驱动的装置则需19秒。从率先在国内开展研发，到开发出中国第一款具有自主知识产权的相变存储器芯片，再到真正实现产业化销售，这条产学研之路整整走了14年。

下一代存储技术的最佳解决方案之一

所谓“相变”，即物质从一种“相”变成另外一种“相”，例如水从液态转化为固态。相变存储器就是利用特殊材料在晶态和非晶态之间进行可逆转变，实现信息的写入和擦除，通过电阻变化实现数据读出。相变存储器具有非挥发性(断电后储存的资料不会消失)、循环寿命长、写入速度快、稳定性好、功耗低等优点，被业界认为是下一代存储技术的最佳解决方案之一。

集成电路产业是我国新型战略性产业，半导体存储器是该产业的重要组成部分，去年约占集成电路产业23%的市场份额。2016年全球存储器产出5000多亿元，我国就消耗了54.1%，大约有2800亿元，但国产芯片的自给率还不足10%。一般通用的存储器芯片有动态随机存储器和闪存两种，占了95%的市场份额。由于计算机的交互传输，数据在其间不停地倒来倒去，动态随机存储器虽然速度快寿命长，但一断电就没有了;闪存虽可以保存数据，但速度慢寿命短。

能否找到一种低压低功耗高速度的存储器呢?其实早在上世纪七十年代，相变材料就被发现了，但一直没有产业化，因为当时加工尺寸大，和集成电路不匹配。2003年，宋志棠萌生了研发相变存储器的念头。尽管这在国内还是一片空白，纳米技术也刚刚起步，当时的所领导给予了大力支持，把这一项目列入了中科院创新研究工程。

第一款有自主知识产权的相变存储器芯片

尽管一开始是基础研究，但最难之处在于：必须在纳米尺度下才能测出相变材料的属性，也就是比头发丝还要小100倍的存储单元，才能发生可逆相变。其次，在相变的过程中，从非晶态到晶态，体积会缩小7%。面对这些困难，宋志棠团队没有放弃。既然要在纳米尺度下才能做研究，那就干脆搭建了一个纳米加工平台，直到现在，这个平台还面向长三角地区开放。体积会改变，那就改进工艺，改了上百次，终于得到了实现存储的一个相变单元。期间，关于相变材料的基础研究也取得了突破。

一个相变单元可以做到高效存储，但一百个单元的纳米阵列能否实现存储还很难说。在一平方毫米的空间做出100万个以上的存储单元，这是一个工程化的研究过程，已经难以在实验室里完成。宋志棠至今清晰记得，2007年1月的一个晚上，就在他烟雾缭绕的办公室，中芯国际集成电路制造(上海)有限公司的两位负责人，决定和上海微系统所一起组建“纳米半导体存储技术联合实验室”。在联合攻关下，他们终于研制成功中国第一款具有自主知识产权的8Mb相变存储器芯片，并实现全部存储功能，成功实现音频录放功能演示，引起了国内外同行的广泛关注。

这个时候距离产业化，尽管还差一口气，但却是关键的一步。宋志棠离开实验室，到各地去推销芯片。尽管这是一个新技术，但能否变成产品，很多企业都有疑虑，觉得不如使用现成的成熟技术，组装了就能销售。被无数家企业拒绝后，2012年12月，上海微系统所和珠海艾派克签署了战略合作协议，决定共同推进相变存储器在打印机芯片中的应用。

“要成为老百姓用的商品，就要经受得住考验。”宋志棠说，样品交付时，先是放在200多摄氏度高温的火里烤了一天，再一个个单元进行测试，错误率必须控制在千分之五。再拿到一百多台打印机上去试验，人为制造各种故障，错误率依然要控制在千分之五。就这样，一个最初的科学想法，终于变成了一个批量化生产的商品。英特尔公司投入了200多亿元实现相变存储器的商用，而这支团队只用了四五亿元就实现了嵌入式相变存储器的产业化。

相变存储器在其他领域还有很大的空间

“就像城市里的高架一样，一块芯片有立体的6层，如果仔细解剖出来比地图还复杂。”一直和材料打交道的宋志棠对芯片有着一种特殊感情。说起集成电路产业，他有些焦虑，因为许多国际知名公司都在大陆纷纷建厂，很多核心技术还掌握在他们手里。说起相变存储器未来的应用，他又有了信心，因为现在的打印机用相变存储器芯片实际只用了1Mb的存储，而他们现在已经实现了128Mb，在其他领域还有很大的空间。

前方的路，还需跋涉。宋志棠说，接下来团队将继续推进嵌入式芯片的产业化，他将同时着手大容量高密度的独立式相变存储器的基础研究。