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2019-09-04 00:15 出處:PConline原創 作者:卡夫卡 責任編輯:sunziyi

  [PConline 雜談]近日,一則‘國內公司推出革命性PCM相變存儲晶片’的消息,可以說相當振奮人心,尤其是在節節“圍堵”的國際環境下,技術層面的自主創新顯得尤為重要,更是當務之急。作為目前最尖端的高科技之一,半導體晶片這幾年在國內很熱門,那麼這個總投資130億元的PCM相變存儲,到底是何物呢?

  近年來,非易失性存儲技術在許多方面都取得了一些重大進展,為電腦系統的存儲能效提升帶來了新的契機,採用新型非易失性存儲技術來替代傳統的存儲技術可以適應電腦技術發展對高存儲能效的需求。以相變存儲器為代表的多種新型存儲器技術因具備高集成度、低功耗等特點而受到國內外研究者的廣泛關注。在今天的內容中,我們將向各位詳細的介紹相變存儲器的工作原理與技術特點。

  開篇所說的PCM,實際上是phase change memory,即相變存儲器的簡稱,是一種非易失存儲設備,利用材料的可逆轉的相變來存儲資訊。它利用硫族化合物在晶態和非晶態巨大的導電性差異來存儲數據。初次聽到“相變”一詞,相信很多朋友會感覺比較陌生,其實,“相”是物理化學上的一個概念,物質從一種相變成另外一種相的過程叫做‘相變’,就好比水從液態變為固態。

   相變存儲器是如何工作的呢?從下面這張相變存儲器的結構圖可以看出,是在器件單元上施加不同寬度和高度的電壓或電流脈衝信號,使相變材料發生物理相態的變化,即晶態(低阻態)和非晶態 (高阻態)之間發生可逆相變互相轉換,從而實現資訊的寫入 (“1”)和擦除(“0”)操作。相互轉換過程包含了晶態到非晶態的非晶化轉變以及非晶態到晶態的晶化轉變兩個過程,其中前者被稱為非晶化過程,後者被稱為晶化過程。然後,依靠測量對比兩個物理相態間的電阻差異來實現資訊的讀出,這種非破壞性的讀取過程,能夠確保準確地讀出器件單元中已存儲的資訊。

   相變材料在晶態和非晶態的時候電阻率差距相差幾個數量級,使得其具有較高的噪聲容限,足以區分“ 0”態和“ 1”態。目前,各機構用的比較多的相變材料是硫屬化物(以英特爾為代表)和含鍺、銻、碲的合成材料(GST),如Ge2Sb2Te5(以意法半導體為代表)。

   現在,我們知道了相變存儲器的基本原理,那麼這種技術有什麼特點呢?其實,相變存儲器的優點很多,例如可嵌入功能強,優異的可反覆擦寫特性,穩定性好以及和CMOS工藝相容等等。到目前為止,還未發現PCM有明確的物理極限,研究表明相變材料的厚度降至2nm時,器件仍然能夠發生相變。正因如此,PCM被認為是最有可能解決存儲技術問題、取代目前主流的存儲產品,成為未來通用的新一代非揮發性半導體存儲器件之一。

   相變存儲器提高存儲容量的方式有兩種:一種是三維堆疊,還有一種是多值技術。英特爾和美光重點突破的是三維堆疊技術,而IBM則在多值存儲領域取得了突破性進展。其中,三維堆疊技術透過晶片或器件在垂直方向的堆疊,可以顯著增加晶片集成度。目前,三維新型非易失存儲器的研究主要集中在器件和陣列層面,且與傳統的二維存儲器不同,三維相變存儲器採用了新型的雙向閾值開關(OTS)器件作為選通器件。

   IBM是相變存儲器多值存儲技術的推進者,其每個存儲單元都能長時間可靠地存儲多個位元組的數據。為了實現多位存儲,IBM開發出了兩項創新性的使能技術:一套不受偏移影響單元狀態測量方法,以及偏移容錯編碼和偵測方案。

   儘管PCM晶片技術上亮點很多,但遲遲沒有大規模量產的原因在於,PCM晶片除了生產難度之外還有一個關鍵問題就是容量太小,核心容量不過512Mb、1Gb左右,與NAND閃存的512Gb、1TB相差甚遠,所以不可能替代NAND閃存,主要用於一些嵌入式產品中,與NOR閃存之類的產品相比,PCM相變存儲目前也沒有明顯的優勢。

   目前,國內外有不少企業和科研機構都在研究相變存儲器,但由於PCM技術還有很多難點有待攻克,故大多機構的研發進展並不順利,且PCM知識產權主要被新力、三星、IBM、美光四家公司所壟斷。國內方面,目前對PCM技術的研究機構主要有中國科學院上海微系統與資訊技術研究所、華中科技大學等。中國科學院上海微系統與資訊技術研究所發現了比國際量產的Ge-Sb-Te性能更好的TI-Sb-Te自主新型相變存儲材料,自主研發了具有國際先進水平的雙溝道隔離的4F2高密度二極管技術,開發出了我國第一款8Mb PCM試驗晶片。

   不僅如此,就在上個月,國內的江蘇時代全芯公司發佈了相變存儲可程式設計只讀存儲器,2Mb大小,號稱是繼三星、美光之後少數掌握相變存儲晶片核心技術的公司。據了解,江蘇時代全芯公司成立於2016年10月,股東有江蘇時代全芯存儲科有限公司和淮安園興投資有限公司,致力於開發及生產搭載最新PCM技術的存儲產品。

   江蘇淮安PCM生產項目總投資130億元,一期投資43億元,淮安園興投資有限公司出資16億元人民幣佔股44%。江蘇時代全芯存儲科技有限公司以自有的知識產權和現金出資,佔股56%,其中知識產權主要包括公司的專有技術及專利。

   雖然該公司號稱是全球第三家掌握PCM相變存儲技術的公司,擁有自主知識產權,不過他們的技術來源實際上是IBM授權,2009年就開始跟IBM合作,所產生的275項授權自IBM的專利、92項自主知識產權專利及近1000項非專利專有技術都正式轉移到了江蘇淮安。儘管現在時代全芯的相變存儲晶片容量還比較小,但也是國內見諸報道中首次量產PCM晶片,技術進步的意義還是很重大的。

 
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