未来存储器有望实现“弯道超车”

许琦敏

手机App上轻轻一按，装载有国产控制芯片的打印机里就吐出需要打印的照片，速度之快，让苹果的airprint也自叹弗如。这其中的奥妙就在于芯片上使用了下一代存储器——相变存储器（PCRAM）。

近日，记者从中科院上海微系统与信息技术研究所（以下简称微系统所）获悉，由该所宋志棠研究员课题组倾注十几年心血，从基础研究做到产业化的PCRAM，如今已集成在芯片上售出1500万片，实现销售额超过亿元。他们与中芯国际等企业一道，共同推进产业化，有望在每年市场价值几十亿美元的嵌入式芯片存储器领域实现“弯道超车”。

挑战下一代存储器产业化

大到数据中心，小到一个小小芯片，都离不开动态内存（DRAM）。现在通用的DRAM有一个致命的缺点，那就是怕断电——一旦断电，在内存中的数据就会瞬间消失，再也找不回来。虽然也有可以随时保存数据的闪存（FLASH），可数据擦写、读取都很慢。所以，尽管这些存储器在各种地方广泛使用，但科学家总希望找到一种更完美的下一代存储器。

PCRAM就是这样一种理想的存储器：它通过电流和磁场的开关，让存储材料在晶体和非晶体间切换。由于改变的是材料的物理状态，所以即使断电，这种状态也不会消失，同时还可以实现很快的擦写速度。

早在2002年，宋志棠就开始关注这个方向。“现在的主流存储器，也曾经过惨烈的技术竞争，当时中国并没有什么核心技术，基本被排斥在这个市场之外。”他说，在下一代存储器的几种技术中，PCRAM是最接近产业化的，“如果我们可以有所突破，将可能在下一代存储器领域实现‘弯道超车，发展自主知识产权。”

从适合现有科研水平的市场入手

“如果再来一次，估计我不会一头扎进去，太难了！”宋志棠说，在研究所的支持下，他的课题组从2003年开始不断寻找适合做PCRAM的材料，材料找到了，却无法做成纳米级器件——如果做不出，什么实用价值都没有。可研究所沒有做器件的条件，怎么办？

一次偶然的机会，他找到了中芯国际集成电路制造（上海）有限公司，双方一拍即合，共同组建团队，申请国家项目，搭建起8至12英寸PCRAM研发平台，并于2007年1月建立了“纳米半导体存储技术联合实验室”。

微系统所侧重解决科学问题，中芯国际主攻工艺开发，经过14年努力，终于实现相变材料制备工艺和中芯国际180纳米～28纳米标准CMOS工艺无缝对接。

为了契合中芯国际的技术优势，微系统所定下了一条PCRAM的产业化路线：避开英特尔、三星等已在大力投入和布局的非嵌入式芯片领域，专攻在大量消费类电子产品中使用的嵌入式芯片。“手机等消费类电子产品，我国本就是制造大国，产业、产品升级都会对嵌入式芯片提出大量需求。”宋志棠说，尽管这块市场没有非嵌入式芯片存储器的市场大，但更适合中国现有的科研和技术水平。

做成器件，还得能应用，才能实现产业化。这时，珠海埃派克科技股份有限公司通过科技新闻报道找到了宋志棠。从2011年起，该公司几乎年年投入上亿元研发经费，为企业未来的技术优势投资。

“高校可以做一千片芯片，拿最好的一颗来发论文，但企业却要找出最差的那颗来改进技术。”珠海埃派克科技股份有限公司技术负责人丁励说，最新研发的打印机芯片，如今已售出1500万片，4个月来用户反映出错率低于千分之一。

基础研究不断获得领先优势

微系统所PCRAM项目组研究员陈后鹏解释，现用存储器的数据读取方法，就好像从一个图书馆里取资料，硬盘、固化内存等就像书库，DRAM就好比阅览区——必须把数据从书库里找到，提取到阅览区，才能计算、操作，最后根据需要存储下来。但PCRAM却好像超级大黑板，所有数据都能直接找到并操作，省去了数据“搬运”过程，运算速度直线上升。

“我们测试了100兆的数据搜索，用PCRAM只需1秒，比传统存储器快了19倍。”陈后鹏说，100兆的数据量相当于一部《二十五史》的信息量。

目前，宋志棠团队是世界上唯一掌握嵌入式芯片PCRAM核心技术的团队。不过，存储器技术更迭向来风云变幻。要寻找功耗更低、速度更快的相变存储器材料，还得依靠基础研究的不断突破。

如今，宋志棠团队已在实验室找到了性能更好的材料，正在进行性能测试。“2011年，我们的8兆芯片就实现了全部存储功能，当时录下的音频，现在还能清晰播放。”宋志棠说，那还是180纳米芯片的技术，现在他们正在主攻40纳米芯片的存储器，这是国家集成电路科技重大专项的主要任务。

初步打通“原始创新—技术开发—产业化”链条的全部关键环节，在产学研紧密配合的模式下，可以预见，国产PCRAM技术将为我国的半导体行业带来新的发展契机。