近日，據(jù)華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院發(fā)文稱，學(xué)院團(tuán)隊研制出全世界功耗最低的相變存儲器。這種新型網(wǎng)狀非晶結(jié)構(gòu)的相變存儲器功耗達(dá)到了0．05pJ（1pJ ＝ 1e－12J J為焦耳 pJ為皮焦耳）以下，比主流產(chǎn)品功耗低了一千倍。除了低功耗以外，該相變存儲器擁有一致性好且壽命長的優(yōu)點(diǎn)。該成果以“Designing Conductive－Bridge Phase－Change Memory to Enable UltralowProgramming Power”為題發(fā)表在《AdvancedScience》上。

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(zhuǎn)變，被業(yè)界認(rèn)為是下一代存儲技術(shù)的最佳解決方案之一。但其自身也存在一些缺陷，特別是寫性能、寫功耗和寫壽命問題，一直都是業(yè)內(nèi)想要攻克的目標(biāo)。

2015年，Intel和Micron推出了傲騰三維相變存儲芯片，速度和壽命比固態(tài)閃存硬盤要快一千倍，其三維堆疊技術(shù)也使容量高出了十倍。

然而，由于在相變過程中需要將存儲介質(zhì)熔化冷卻，導(dǎo)致相變存儲器的功耗極高且發(fā)熱嚴(yán)重，限制了存儲容量的進(jìn)一步提高，也大大增加了其制造成本。目前最先進(jìn)的幾十納米制程的單個相變存儲單元擦寫功耗達(dá)到了40pJ左右，而實(shí)驗(yàn)室制備的百納米大小的器件功耗達(dá)到1000pJ以上。而華中科技大學(xué)團(tuán)隊研發(fā)的這相變存儲器，功耗達(dá)到了0．05pJ以下。

Ｔ型結(jié)構(gòu)是相變存儲器最基礎(chǔ)的一種結(jié)構(gòu) ，對比其他結(jié)構(gòu)由于其平面面積較小被廣泛應(yīng)用于芯片的制備之中，也是通常所說的“蘑菇結(jié)構(gòu)”。與之不同的是這種新型存儲器利用相變材料的自發(fā)分相在介質(zhì)中形成了一些“導(dǎo)電島”，顯示可編程層具有項鏈狀網(wǎng)絡(luò)，而對該存儲器的擦寫只需要將這些島鏈接或者斷開即可。這種結(jié)構(gòu)的相變存儲器在制備工藝上同樣具有很大優(yōu)勢，到目前為止，所有降低功耗的方法都遵循功耗和數(shù)據(jù)存儲設(shè)備大小之間的直接縮放關(guān)系，這提高了器件制備的工藝難度，網(wǎng)狀非晶結(jié)構(gòu)的相變存儲打破了功耗與器件大小的比例依賴關(guān)系，使之無需添加復(fù)雜的制造工藝。

在此之前，全世界功耗最低的相變存儲器是由碳納米線實(shí)現(xiàn)的，然而這種碳納米線工藝要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模半導(dǎo)體制造還需要很長的時間。

據(jù)華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院官網(wǎng)文章指出，該研究是在國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃和國家02專項的資助下開展，受到了中科院上海微系統(tǒng)所朱敏研究員的傾力相助。

值得注意的是，朱敏所屬的中科院上海微系統(tǒng)所在相變材料和開關(guān)器件性能領(lǐng)域的研究一直走在世界前列，包括朱敏本人也在2017年，和他的團(tuán)隊創(chuàng)造了700皮秒相變存儲器操作速度的世界紀(jì)錄，研究成果也在《科學(xué)》發(fā)表。

存儲器是現(xiàn)代信息系統(tǒng)最關(guān)鍵的組件之一，直接關(guān)系到國家的信息安全。然而，現(xiàn)有的主流存儲器內(nèi)存和閃存，因無法兼具高速與高密度特性，難以滿足指數(shù)型增長的數(shù)據(jù)存儲需要，急需發(fā)展下一代海量高速存儲技術(shù)。

另一方面，我國的存儲器更是嚴(yán)重依賴于進(jìn)口。據(jù)國家統(tǒng)計局公布的數(shù)據(jù)，目前中國每年的集成電路產(chǎn)品進(jìn)口量已經(jīng)超過石油，在進(jìn)口的集成電路中，存儲器更是占據(jù)80％的市場數(shù)量份額。僅2020年我國集成電路芯片進(jìn)口總額為24207億元，接近石油原油進(jìn)口額的兩倍，其中存儲器芯片占比約1／3。

隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)、5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能新興應(yīng)用場景對存儲提出了更高的性能要求，數(shù)據(jù)爆發(fā)式增長，人類社會正步入到以大數(shù)據(jù)為特征的智能化時代，新型存儲器迅速發(fā)展，勢必會影響未來存儲器市場格局。

我國正在大力發(fā)展存儲產(chǎn)業(yè)，除了在傳統(tǒng)存儲器上努力實(shí)現(xiàn)追趕，PCM相變儲存器作為新型中最有可能完全替代DRAM的新型NVM技術(shù)之一，將是國內(nèi)未來存儲產(chǎn)業(yè)生態(tài)的重要部分，也是實(shí)現(xiàn)存儲技術(shù)彎道重要機(jī)遇。