每生產(chǎn)一個打印機用的芯片，僅去掉電池一項，成本就能降低20%。中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所信息功能材料國家重點實驗室主任宋志棠，興奮地給解放日報·上觀新聞記者算了一筆賬，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發(fā)的相變存儲器芯片，無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(tǒng)穩(wěn)定性，更加環(huán)保，還節(jié)省了加工費，4個月來已完成銷售1600萬顆。這是國際上第一個嵌入式相變存儲器實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品。
在上海微系統(tǒng)所的信息功能材料國家重點實驗室，解放日報·上觀新聞記者看到，同樣查詢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(tǒng)存儲器驅動的裝置則需19秒。從率先在國內(nèi)開展研發(fā)，到開發(fā)出中國第一款具有自主知識產(chǎn)權的相變存儲器芯片，再到真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化銷售，這條產(chǎn)學研之路整整走了14年。
下一代存儲技術的最佳解決方案之一
所謂“相變”，即物質從一種“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)之間進行可逆轉變，實現(xiàn)信息的寫入和擦除，通過電阻變化實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀出。相變存儲器具有非揮發(fā)性(斷電后儲存的資料不會消失)、循環(huán)壽命長、寫入速度快、穩(wěn)定性好、功耗低等優(yōu)點，被業(yè)界認為是下一代存儲技術的最佳解決方案之一。
集成電路產(chǎn)業(yè)是我國新型戰(zhàn)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態(tài)隨機存儲器和閃存兩種，占了95%的市場份額。由于計算機的交互傳輸，數(shù)據(jù)在其間不停地倒來倒去，動態(tài)隨機存儲器雖然速度快壽命長，但一斷電就沒有了;閃存雖可以保存數(shù)據(jù)，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?其實早在上世紀七十年代，相變材料就被發(fā)現(xiàn)了，但一直沒有產(chǎn)業(yè)化，因為當時加工尺寸大，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(nèi)還是一片空白，納米技術也剛剛起步，當時的所領導給予了大力支持，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，在相變的過程中，從非晶態(tài)到晶態(tài)，體積會縮小7%。面對這些困難，宋志棠團隊沒有放棄。既然要在納米尺度下才能做研究，那就干脆搭建了一個納米加工平臺，直到現(xiàn)在，這個平臺還面向長三角地區(qū)開放。體積會改變，那就改進工藝，改了上百次，終于得到了實現(xiàn)存儲的一個相變單元。期間，關于相變材料的基礎研究也取得了突破。
一個相變單元可以做到高效存儲，但一百個單元的納米陣列能否實現(xiàn)存儲還很難說。在一平方毫米的空間做出100萬個以上的存儲單元，這是一個工程化的研究過程，已經(jīng)難以在實驗室里完成。宋志棠至今清晰記得，2007年1月的一個晚上，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(tǒng)所一起組建“納米半導體存儲技術聯(lián)合實驗室”。在聯(lián)合攻關下，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，并實現(xiàn)全部存儲功能，成功實現(xiàn)音頻錄放功能演示，引起了國內(nèi)外同行的廣泛關注。
這個時候距離產(chǎn)業(yè)化，盡管還差一口氣，但卻是關鍵的一步。宋志棠離開實驗室，到各地去推銷芯片。盡管這是一個新技術，但能否變成產(chǎn)品，很多企業(yè)都有疑慮，覺得不如使用現(xiàn)成的成熟技術，組裝了就能銷售。被無數(shù)家企業(yè)拒絕后，2012年12月，上海微系統(tǒng)所和珠海艾派克簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議，決定共同推進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，樣品交付時，先是放在200多攝氏度高溫的火里烤了一天，再一個個單元進行測試，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，一個最初的科學想法，終于變成了一個批量化生產(chǎn)的商品。英特爾公司投入了200多億元實現(xiàn)相變存儲器的商用，而這支團隊只用了四五億元就實現(xiàn)了嵌入式相變存儲器的產(chǎn)業(yè)化。
相變存儲器在其他領域還有很大的空間
“就像城市里的高架一樣，一塊芯片有立體的6層，如果仔細解剖出來比地圖還復雜。”一直和材料打交道的宋志棠對芯片有著一種特殊感情。說起集成電路產(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，很多核心技術還掌握在他們手里。說起相變存儲器未來的應用，他又有了信心，因為現(xiàn)在的打印機用相變存儲器芯片實際只用了1Mb的存儲，而他們現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)了128Mb，在其他領域還有很大的空間。
前方的路，還需跋涉。宋志棠說，接下來團隊將繼續(xù)推進嵌入式芯片的產(chǎn)業(yè)化，他將同時著手大容量高密度的獨立式相變存儲器的基礎研究。
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