一、中國版《王者歸來》
由新西蘭導(dǎo)演彼得·杰克遜導(dǎo)演的奧斯卡金像獎獲獎影片《指環(huán)王：王者歸來》，講述了這樣一個故事：為了完成摧毀魔戒的使命，佛羅多與山姆、咕嚕繼續(xù)前往末日火山，他將考驗自己的忠誠及人性中所有的堅強(qiáng)與軟弱；同時，甘道夫、亞拉岡、萊格拉斯、金靂也正積極對抗索倫的攻擊，合力捍衛(wèi)中土世界；剛鐸首都米那斯提力斯危在旦夕，亞拉岡拾起王者之劍，并在帕蘭諾平原展開一場浴血戰(zhàn)役；盡管旅程中不斷面臨重重危機(jī)與挑戰(zhàn)，遠(yuǎn)征隊還是奮力迎向最光榮的魔戒圣戰(zhàn)…….電影中的最后一句臺詞——“我回來了。”王者歸來了！
我把這部電影同一位存儲器同行大師聯(lián)系起來，故事是這樣：為了完成存儲器的歷史使命，大師在黃浦江邊帶領(lǐng)一支上百人的遠(yuǎn)征軍（上海微系統(tǒng)所＋中芯國際團(tuán)隊），繼續(xù)前往世界領(lǐng)先的高地，他將考驗中國人的耐力和決心；同時，也有另一只隊伍從長江中游出發(fā)（華科大＋武漢新芯團(tuán)隊），積極對抗美日韓的攻擊，合力捍衛(wèi)中方世界存儲之都；存儲之都面臨中外博弈，大師拾起王者之劍，率先展開遠(yuǎn)征作戰(zhàn)，盡管旅途中不斷面臨重重危機(jī)與挑戰(zhàn)，遠(yuǎn)征隊最終還是奮力走向世界存儲芯片高地……“我回來了?！贝鎯ζ髦巴跽邭w來”了！
在最近的一次全球存儲器半導(dǎo)體峰會論壇上，筆者非常榮幸地認(rèn)識了這位被稱為存儲器芯片之“王者歸來”故事的主角，來自中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的宋志棠博士。說起來這位西安交通大學(xué)的校友還是我們同級校友劉純亮的碩士研究生，給初次見面的我們又增進(jìn)了些許親切感。
二、王者利器：存儲器
存儲器芯片作為三大集成電路基礎(chǔ)類通用芯片（其他兩種是CPU和FPGA）之一，在集成電路市場份額中占比是最大的，2017年達(dá)到了1300億美元，超過集成電路總份額1／4的比例。原來在世界半導(dǎo)體版圖中最強(qiáng)的是英特爾，2017年三星由于存儲器出貨量猛增，存儲器收入增加200億美元，使得三星超過英特爾一躍成為全球第一半導(dǎo)體大廠。
2017年全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)收入增長了22.2%，主要增長動力也是來自存儲器市場需求的旺盛。所以我們可以看到存儲器比較強(qiáng)的幾家公司，集成電路整體收入都走在了前列：三星超英特爾排名第一，同比增長52.6%，SK海力士同比增長79%，美光同比增長78.1%，東芝增長29.2%。
隨著存儲器應(yīng)用越來越廣泛，像大數(shù)據(jù)中心、企業(yè)存儲、大容量（海量）存儲器等，對存儲器的要求會越來越高。
三、我國存儲器產(chǎn)業(yè)布局
中國是一個存儲器消費大國，每年消耗存儲器2800多億（元），消耗了存儲器市場的51.4％。在這種情況下，英特爾、三星和海力士都加大了在中國存儲器產(chǎn)業(yè)的投入。我國從安全考慮也開始了存儲器產(chǎn)業(yè)的布局。以武漢長江存儲為標(biāo)志，存儲芯片已成為近年來我國半導(dǎo)體投資的一個新熱點。
2017年我國基本形成了紫光長江存儲、福建晉江和合肥長鑫三大存儲器基地布局：紫光長江存儲以武漢為基地，預(yù)計2018年底正式投產(chǎn)32層堆棧的64Gb 3D NAND閃存；福建晉華集團(tuán)聯(lián)合臺聯(lián)電在晉江建設(shè)DRAM晶圓廠，合肥長鑫聯(lián)手兆易創(chuàng)新，研發(fā)生產(chǎn)19納米的DRAM內(nèi)存。前不久的7月16日，長鑫存儲宣布DRAM項目正式投片，啟動試產(chǎn)8Gb DDR4工程樣品，這標(biāo)志著第一個中國自主研發(fā)的DRAM芯片即將問世。
在Flash和DRAM存儲器方面，主導(dǎo)的還是國際幾個存儲器大廠：三星、海力士及美光等，我們的戰(zhàn)略還是追隨和趕超。但在存儲器的另一條戰(zhàn)線上，我們國內(nèi)的研究和成果毫不遜色，這就是以相變存儲器為代表的新介質(zhì)新材料存儲器研究。甚至可以不夸張地說，在相變存儲器材料和器件領(lǐng)域，我們開始走在了世界前列。
四、我國相變存儲器研究現(xiàn)狀
目前，我國在新介質(zhì)新材料存儲器芯片研究方面，經(jīng)過十幾年的培育和發(fā)展，形成了兩只骨干隊伍。一個是華科大聯(lián)合武漢新芯，另一個是中科院上海微系統(tǒng)和信息技術(shù)研究所聯(lián)合中芯國際，這些產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的創(chuàng)新帶來了存儲器新材料和新器件研究的豐碩成果，他們對以相變存儲功能材料為介質(zhì)的存儲器基礎(chǔ)研究可以說是與世界同步，甚至有些還走在了世界前列。除了基礎(chǔ)研究，在產(chǎn)業(yè)化方面以宋志棠為首的中科院團(tuán)隊也“小試牛刀”，他們聯(lián)手中芯國際打造了8－12吋PCRAM專用技術(shù)平臺，并在該平臺上研發(fā)出了用于打印機(jī)的相變存儲器130納米工藝芯片并實現(xiàn)量產(chǎn)，已連續(xù)供貨1500多萬片。目前，宋志棠的團(tuán)隊正在研發(fā)12英寸40納米相變存儲器工藝，目標(biāo)針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和下一代5G通訊等領(lǐng)域。
相變存儲器 (PCRAM) 具有微縮性好、可三維集成、擦寫速度快、與新型COMS工藝相兼容等優(yōu)點，正以變革計算機(jī)框架的存儲型內(nèi)存(Storage Class Memory) 角色進(jìn)入主流存儲器市場。但在相變存儲器的快速可逆相變機(jī)理仍未有共識，宋志棠博士帶領(lǐng)團(tuán)隊開展了八面體相變基元以及FCC亞穩(wěn)態(tài)理論下的新型相變材料研究，找到了納秒級可逆相變的理論實質(zhì)。并率先在全國建立了第一臺300KV雙球差矯正、分辨率80pm的信息功能材料微結(jié)構(gòu)表征平臺，和高分辨率、近常壓光電子能譜分析平臺。
宋志棠博士在研究國際先進(jìn)相變機(jī)理的基礎(chǔ)上，自主研發(fā)了Ti-Sb-Te與Sc-Sb-Te相變材料, 提出八面體原子基元理論。這個新材料對相變存儲最大的貢獻(xiàn)是解決了PCM的寫速度慢的短板問題。并以《發(fā)現(xiàn)世界最快Sc-Sb-Te單項相變材料》為題在國際權(quán)威雜志“Science”上發(fā)表，引起了業(yè)界的轟動。
美國媒體以這樣的標(biāo)題報道“相變存儲技術(shù)的新發(fā)現(xiàn)預(yù)示著下一代存儲器的到來”。IBM科學(xué)家SangBum Kim以“快速晶化合金加速相變存儲器”為題認(rèn)為：“寫速度的巨大提升立刻讓相變存儲器成為未來存儲器的領(lǐng)跑者”。美國物理學(xué)會旗艦刊物Physics Today（《今日物理》）在其網(wǎng)站以“相變存儲器達(dá)到極快速度”為題報道本論文研究進(jìn)展，并認(rèn)為本研究“為下一代計算器件的誕生掃除了一大障礙”。
一個本土中國團(tuán)隊能取得國際同行精英的高度認(rèn)可，宋志棠和他的團(tuán)隊在新材料基礎(chǔ)研究方面默默走過了15個年?？纯催@些年的成績單吧，從2011年到2016年，中國專利數(shù)量超過500項，全國第一。項目負(fù)責(zé)人2011年-2016年共申請、授權(quán)專利236項，包括13項國際專利。2011年到2016年，項目負(fù)責(zé)人在PCRAM領(lǐng)域發(fā)表SCI論文300余篇，包括Science、Nature Communications、Advanced Materials、Nano Research、Nanoscale等權(quán)威雜志，是國際上該領(lǐng)域發(fā)表論文最多的研究者。
宋博士對我們說，“這些嵌入式存儲器專利布局使中國有望在此領(lǐng)域占領(lǐng)市場制高點，解決我國新型存儲器開發(fā)多年來只注重基礎(chǔ)研究、成果難以工程化的瓶頸，為我國產(chǎn)業(yè)化的跨越式發(fā)展探索一條新的路子來?！?/p>
五、相變存儲器：下一代的存儲器
相變存儲器PCM（Phase Change Memory，也有簡寫為PCRAM）是利用電脈沖誘導(dǎo)相變材料在高阻的非晶態(tài)與低阻的晶態(tài)之間進(jìn)行可逆轉(zhuǎn)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)讀出的一種新型存儲器。
目前主流的半導(dǎo)體存儲器主要有兩類，一類如電腦內(nèi)存，雖然讀寫速度快，但容量小、價格高、掉電易丟失數(shù)據(jù)；另一類如固態(tài)硬盤，優(yōu)缺點正好相反。相變存儲器正好是一種集兩者優(yōu)點于一身的新型存儲器。
相變存儲器與Flash和DRAM存儲器相比，具有如下優(yōu)點：
1.低延遲，讀寫時間均衡：與NAND Flash相比，PCM在寫入新代碼之前不需要擦除原來代碼和數(shù)據(jù)，故其讀寫速度較NAND Flash有優(yōu)勢，讀寫時間較均衡。
2.壽命長：PCM讀寫是非破壞性的，故其耐寫能力遠(yuǎn)超F(xiàn)lash。
3.功耗低：PCM沒有機(jī)械轉(zhuǎn)動裝置，保存代碼或數(shù)據(jù)不需要刷新電流，故功耗比HDD、NAND、DRAM都低。
4.密度高：部分PCM采用非晶體管設(shè)計，可實現(xiàn)高密度存儲。
5.抗輻照性能好：PCM存儲與帶電粒子材料狀態(tài)無關(guān)，故有很強(qiáng)的抗空間輻射能力，可滿足航天和國防需求。
簡言之，相變存儲器因其具有非揮發(fā)性、循環(huán)壽命長、寫入速度快、穩(wěn)定性好、功耗低和可嵌入功能強(qiáng)等優(yōu)點，特別是在器件特征尺寸微縮方面具有突出優(yōu)勢，被業(yè)界認(rèn)為是下一代非揮發(fā)性存儲技術(shù)的最佳解決方案之一，也是科學(xué)家們預(yù)測的最先有可能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的新型存儲器。
六、3D Xpoint：相變存儲器的新機(jī)遇
3D Xpoint是英特爾和美光在2015年聯(lián)手發(fā)明的一項新的存儲技術(shù)。由于是NAND閃存問世以來出現(xiàn)的新型存儲技術(shù)，立刻引起了業(yè)界的轟動。但是關(guān)于3D Xpoint究竟是不是相變存儲器，業(yè)界還有爭論。但從目前已掌握的科學(xué)數(shù)據(jù)來看，它本質(zhì)上就是相變存儲器。雖然作為發(fā)明者的英特爾和美光不承認(rèn)3D Xpoint是相變存儲器。
專家們都把3D Xpoint看作是PCM的一個新機(jī)遇，英特爾認(rèn)
為，“這是自1989年年NAND問世以來，時隔25年取得的新突破”，在20納米實現(xiàn)的3D Xpoint，推動其發(fā)展的核心動力是發(fā)現(xiàn)高速、低功耗、長壽命新型相變材料。這一技術(shù)可用于未來潛力巨大的海量存儲器。
三星已經(jīng)用20納米工藝實現(xiàn)了3D PCM的擦、寫速度10、60納米，海力士用As-SiO2做選通管實現(xiàn)了3維集成。從應(yīng)用層面來看，3D PCM可以填補(bǔ)在非揮發(fā)、速度和訪問延遲之間的一個缺口，吃掉部分3D NAND，替代部分DRAM，市場潛力十分巨大。
英特爾預(yù)計2020年數(shù)據(jù)中心的市場規(guī)模可達(dá)340億美元，其中3D Xpoint有80億美元的需求，占有率達(dá)23.5%。
七、相變存儲器的應(yīng)用切入點
PCRAM在電子產(chǎn)品中的潛在應(yīng)用領(lǐng)域有：硬盤（從Flash+DRAM到PCRAM SSD），以及物聯(lián)網(wǎng)、移動終端、智能家電、智能辦公等等。Flash依靠的是快速讀出速度、容量和價格推動產(chǎn)品升級換代，但其毫秒級的擦寫速度、高操作電壓及嵌入式與新型CMOS技術(shù)不兼容，這些都制約了Flash的進(jìn)一步發(fā)展。與Flash比較，PCRAM的高速讀、寫和擦，與新型CMOS工藝兼容，容易實現(xiàn)高密度結(jié)構(gòu)。
宋志棠博士認(rèn)為，PCM相變存儲器可從以下幾個方面作為應(yīng)用切入點：Kb級嵌入式非易失存儲—低功耗微控制器、代碼存儲和掉電保存；Mb級—嵌入式或獨立式非易失存儲、嵌入式設(shè)備數(shù)據(jù)存儲及緩沖；Gb級—獨立式高性能非易失存儲、FLASH存儲設(shè)備數(shù)據(jù)緩沖、高性能計算存儲；Tb級—獨立式大容量非易失存儲、低功耗數(shù)據(jù)中心。
目前宋志棠團(tuán)隊的大型數(shù)據(jù)庫的高密度存儲嵌入式應(yīng)用已經(jīng)取得突破，在大容量上有原創(chuàng)性成果。嵌入式PCM 28納米采用高K Metal Gate新型CMOS技術(shù)，滿足高速讀、寫、擦性能的存儲器市場；大容量取決于高驅(qū)動能力和能三維集成的二極管技術(shù)。
八、相變存儲器：中國芯的突破口
發(fā)展自主的信息功能材料用于集成電路制造是國家戰(zhàn)略發(fā)展的迫切需求，特別是中興事件后，這一需求顯得尤為迫切。
《國際半導(dǎo)體發(fā)展路線圖》（ITRS）指出，從2010年開始，非傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料陸續(xù)進(jìn)入芯片制造領(lǐng)域：PCRAM，MRAM，SFQ，CNT，Graphene……等，到2017年左右，傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展將逼近物理極限（20納米、14納米、10納米、7納米、5納米）,半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖將終結(jié)。到2020年，器件將達(dá)到熱極限，半導(dǎo)體材料將進(jìn)入量子材料，量子計算和拓?fù)淞孔佑嬎銓⒄及雽?dǎo)體材料的主流。
目前在材料行業(yè)有三個值得注意的發(fā)展趨勢：（一）用于芯片制造的功能材料數(shù)量逐年增多；（二）功能材料對芯片性能的提升，在10納米工藝節(jié)點貢獻(xiàn)率超過60％；（三）大硅片以及SOI材料正在成為集成電路襯底與技術(shù)發(fā)展基石。從這些趨勢我們可以充分看到宋志棠團(tuán)隊的研究方向在集成電路制造中的作用是何等重要，其作用會越來越大。
萬丈高樓平地起。我們希望國內(nèi)有越來越多的像宋志棠這樣的團(tuán)隊潛心于基礎(chǔ)研發(fā)不動搖，只有根基扎得深，大樹才能枝繁葉茂。只有堅持研發(fā)，我們天天喊的“中國芯”才能真正做到“王者歸來”為我所用。
宋志棠博士簡歷
宋志棠，研究員，博士生導(dǎo)師。1997年畢業(yè)于西安交通大學(xué)電子材料與器件研究所，獲工學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)任信息功能材料國家重點實驗室主任，上海市納電子材料與器件優(yōu)秀學(xué)科帶頭人，國內(nèi)PCRAM材料與器件研究的開創(chuàng)者。
研究方向為相變存儲材料與器件、納米拋光液。創(chuàng)建了上海微系統(tǒng)所納電子材料與器件學(xué)科。與產(chǎn)業(yè)結(jié)合，率先在國內(nèi)開展相變存儲器（PCRAM）的研發(fā)，培養(yǎng)與組建了100人產(chǎn)、學(xué)、研緊密結(jié)合、高水平的研發(fā)隊伍。是國家集成電路重大專項（02專項）PCRAM項目和973（A類）項目的首席科學(xué)家與項目負(fù)責(zé)人，同時承擔(dān)國家先導(dǎo)、863、國際重大合作以及上海市重大等項目50余項。申請國家與國際發(fā)明專利400余項、在Nature Communications , Nanoscale, Scientific Reports 等國內(nèi)外知名SCI刊物上發(fā)表論文200余篇，撰有《相變存儲器》和《相變存儲器與應(yīng)用基礎(chǔ)》專著兩本。與中芯國際和Microchip聯(lián)合組建有一支150余人的產(chǎn)學(xué)研隊伍，建立起12英寸PCRAM專用技術(shù)平臺，開發(fā)出我國第一款PCRAM芯片，在中國首次將PCRAM芯片推向量產(chǎn)。
先后榮獲“新世紀(jì)百千萬人才工程”國家級人選、上海市領(lǐng)軍人才、國務(wù)院特殊津貼、上海市優(yōu)秀學(xué)科帶頭人、上海市科技中長期規(guī)劃突出貢獻(xiàn)獎、中國科學(xué)院優(yōu)秀導(dǎo)師獎、中國科學(xué)院朱李月華優(yōu)秀教師等獎勵，國家科技進(jìn)步一等獎，中國科學(xué)院杰出科技成就獎，上海市科技進(jìn)步一等獎，2007年當(dāng)選中國人民政治協(xié)商會議上海市第十一屆委員會委員。