未來存儲器有望實現“彎道超車”

許琦敏

手機App上輕輕一按，裝載有國產控制芯片的打印機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器——相變存儲器（PCRAM）。

近日，記者從中科院上海微系統與信息技術研究所（以下簡稱微系統所）獲悉，由該所宋志棠研究員課題組傾注十幾年心血，從基礎研究做到產業化的PCRAM，如今已集成在芯片上售出1500萬片，實現銷售額超過億元。他們與中芯國際等企業一道，共同推進產業化，有望在每年市場價值幾十億美元的嵌入式芯片存儲器領域實現“彎道超車”。

挑戰下一代存儲器產業化

大到數據中心，小到一個小小芯片，都離不開動態內存（DRAM）。現在通用的DRAM有一個致命的缺點，那就是怕斷電——一旦斷電，在內存中的數據就會瞬間消失，再也找不回來。雖然也有可以隨時保存數據的閃存（FLASH），可數據擦寫、讀取都很慢。所以，盡管這些存儲器在各種地方廣泛使用，但科學家總希望找到一種更完美的下一代存儲器。

PCRAM就是這樣一種理想的存儲器：它通過電流和磁場的開關，讓存儲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，所以即使斷電，這種狀態也不會消失，同時還可以實現很快的擦寫速度。

早在2002年，宋志棠就開始關注這個方向。“現在的主流存儲器，也曾經過慘烈的技術競爭，當時中國并沒有什么核心技術，基本被排斥在這個市場之外。”他說，在下一代存儲器的幾種技術中，PCRAM是最接近產業化的，“如果我們可以有所突破，將可能在下一代存儲器領域實現‘彎道超車，發展自主知識產權。”

從適合現有科研水平的市場入手

“如果再來一次，估計我不會一頭扎進去，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，卻無法做成納米級器件——如果做不出，什么實用價值都沒有。可研究所沒有做器件的條件，怎么辦？

一次偶然的機會，他找到了中芯國際集成電路制造（上海）有限公司，雙方一拍即合，共同組建團隊，申請國家項目，搭建起8至12英寸PCRAM研發平臺，并于2007年1月建立了“納米半導體存儲技術聯合實驗室”。

微系統所側重解決科學問題，中芯國際主攻工藝開發，經過14年努力，終于實現相變材料制備工藝和中芯國際180納米～28納米標準CMOS工藝無縫對接。

為了契合中芯國際的技術優勢，微系統所定下了一條PCRAM的產業化路線：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域，專攻在大量消費類電子產品中使用的嵌入式芯片。“手機等消費類電子產品，我國本就是制造大國，產業、產品升級都會對嵌入式芯片提出大量需求。”宋志棠說，盡管這塊市場沒有非嵌入式芯片存儲器的市場大，但更適合中國現有的科研和技術水平。

做成器件，還得能應用，才能實現產業化。這時，珠海埃派克科技股份有限公司通過科技新聞報道找到了宋志棠。從2011年起，該公司幾乎年年投入上億元研發經費，為企業未來的技術優勢投資。

“高校可以做一千片芯片，拿最好的一顆來發論文，但企業卻要找出最差的那顆來改進技術。”珠海埃派克科技股份有限公司技術負責人丁勵說，最新研發的打印機芯片，如今已售出1500萬片，4個月來用戶反映出錯率低于千分之一。

基礎研究不斷獲得領先優勢

微系統所PCRAM項目組研究員陳后鵬解釋，現用存儲器的數據讀取方法，就好像從一個圖書館里取資料，硬盤、固化內存等就像書庫，DRAM就好比閱覽區——必須把數據從書庫里找到，提取到閱覽區，才能計算、操作，最后根據需要存儲下來。但PCRAM卻好像超級大黑板，所有數據都能直接找到并操作，省去了數據“搬運”過程，運算速度直線上升。

“我們測試了100兆的數據搜索，用PCRAM只需1秒，比傳統存儲器快了19倍。”陳后鵬說，100兆的數據量相當于一部《二十五史》的信息量。

目前，宋志棠團隊是世界上唯一掌握嵌入式芯片PCRAM核心技術的團隊。不過，存儲器技術更迭向來風云變幻。要尋找功耗更低、速度更快的相變存儲器材料，還得依靠基礎研究的不斷突破。

如今，宋志棠團隊已在實驗室找到了性能更好的材料，正在進行性能測試。“2011年，我們的8兆芯片就實現了全部存儲功能，當時錄下的音頻，現在還能清晰播放。”宋志棠說，那還是180納米芯片的技術，現在他們正在主攻40納米芯片的存儲器，這是國家集成電路科技重大專項的主要任務。

初步打通“原始創新—技術開發—產業化”鏈條的全部關鍵環節，在產學研緊密配合的模式下，可以預見，國產PCRAM技術將為我國的半導體行業帶來新的發展契機。