未來存儲器有望實現「彎道超車」

手機App上輕輕一按，裝載有國產控制晶元的印表機里就吐出需要列印的照片，速度之快，讓蘋果的 airprint 也自嘆不如。這其中的奧妙就在於晶元上使用了下一代存儲器 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，如今已集成在晶元上售出1500萬片，實現銷售額超過億元。他們與中芯國際等企業，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晶元存儲器領域實現「彎道超車」。

挑戰下一代存儲器產業化

大到數據中心，小到一個小小晶元，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快閃記憶體(FLASH)，可數據擦寫、讀取都很慢。所以，儘管這些存儲器在各種地方廣泛使用，科學家總希望找到一種更完美的下一代存儲器。

相變存儲器(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。由於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，當時並沒有什麼核心技術，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，什麼實用價值都沒有。可研究所沒有做器件的條件，怎麼辦？

一次偶然的機會，他找到了中芯國際集成電路製造(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研發平台，並於2007年1月建立了「納米半導體存儲技術聯合實驗室」。

微系統側重解決科學問題，中芯國際主攻工藝開發，經過14年努力，終於實現相變材料製備工藝和中芯國際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晶元領域，專攻在大量消費類電子產品使用的嵌入式晶元。「手機等消費類電子產品，本就是製造大國，產業、產品升級都會對嵌入式晶元提出大量需求。」宋志棠說，儘管這塊市場沒有非嵌入式晶元存儲器的市場大，但更適合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。

「高校可以做一千片晶元，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。」丁勵說，最新研發的印表機晶元，如今已售出1500萬片，4個月來用戶反映出錯率低於千分之一。

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，硬碟、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，最後根據需要存儲下來。但 PCRAM 卻好像超級大黑板，所有數據都能直接找到並操作，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，100兆的數據量相當於一部《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晶元PCRAM核心技術的。不過，存儲器技術更迭向來風雲變幻。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8兆晶元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納米晶元的技術，現在他們正在主攻40納米晶元的存儲器，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，國產 PCRAM 技術將為的半導體行業帶來新發展契機。