时间:2016年11月30日
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未来存储器有望实现“弯道超车”

发布时间:2017-07-10 10:49:01     浏览次数:

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 也自叹不如。这其中的奥妙就在于芯片上使用了下一代存储器 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,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,科学家总希望找到一种更完美的下一代存储器。
  
相变存储器(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。可研究所没有做器件的条件,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。”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。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,国产 PCRAM 技术将为我国的半导体行业带来新发展契机。

来源:文汇报