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2019-09-04 00:15 出处:PConline原创 作者:卡夫卡 责任编辑:sunziyi

  [PConline 杂谈]近日,一则‘国内公司推出革命性PCM相变存储芯片’的消息,可以说相当振奋人心,尤其是在节节“围堵”的国际环境下,技术层面的自主创新显得尤为重要,更是当务之急。作为当前最尖端的高科技之一,半导体芯片这几年在国内很热门,那么这个总投资130亿元的PCM相变存储,到底是何物呢?

  近年来,非易失性存储技术在许多方面都取得了一些重大进展,为计算机系统的存储能效提升带来了新的契机,采用新型非易失性存储技术来替代传统的存储技术可以适应计算机技术发展对高存储能效的需求。以相变存储器为代表的多种新型存储器技术因具备高集成度、低功耗等特点而受到国内外研究者的广泛关注。在今天的内容中,我们将向各位详细的介绍相变存储器的工作原理与技术特点。

  开篇所说的PCM,实际上是phase change memory,即相变存储器的简称,是一种非易失存储设备,利用材料的可逆转的相变来存储信息。它利用硫族化合物在晶态和非晶态巨大的导电性差异来存储数据。初次听到“相变”一词,相信很多朋友会感觉比较陌生,其实,“相”是物理化学上的一个概念,物质从一种相变成另外一种相的过程叫做‘相变’,就好比水从液态变为固态。

   相变存储器是如何工作的呢?从下面这张相变存储器的结构图可以看出,是在器件单元上施加不同宽度和高度的电压或电流脉冲信号,使相变材料发生物理相态的变化,即晶态(低阻态)和非晶态 (高阻态)之间发生可逆相变互相转换,从而实现信息的写入 (“1”)和擦除(“0”)操作。相互转换过程包含了晶态到非晶态的非晶化转变以及非晶态到晶态的晶化转变两个过程,其中前者被称为非晶化过程,后者被称为晶化过程。然后,依靠测量对比两个物理相态间的电阻差异来实现信息的读出,这种非破坏性的读取过程,能够确保准确地读出器件单元中已存储的信息。

   相变材料在晶态和非晶态的时候电阻率差距相差几个数量级,使得其具有较高的噪声容限,足以区分“ 0”态和“ 1”态。目前,各机构用的比较多的相变材料是硫属化物(以英特尔为代表)和含锗、锑、碲的合成材料(GST),如Ge2Sb2Te5(以意法半导体为代表)。

   现在,我们知道了相变存储器的基本原理,那么这种技术有什么特点呢?其实,相变存储器的优点很多,例如可嵌入功能强,优异的可反复擦写特性,稳定性好以及和CMOS工艺兼容等等。到目前为止,还未发现PCM有明确的物理极限,研究表明相变材料的厚度降至2nm时,器件仍然能够发生相变。正因如此,PCM被认为是最有可能解决存储技术问题、取代目前主流的存储产品,成为未来通用的新一代非挥发性半导体存储器件之一。

   相变存储器提高存储容量的方式有两种:一种是三维堆叠,还有一种是多值技术。英特尔和美光重点突破的是三维堆叠技术,而IBM则在多值存储领域取得了突破性进展。其中,三维堆叠技术通过芯片或器件在垂直方向的堆叠,可以显著增加芯片集成度。当前,三维新型非易失存储器的研究主要集中在器件和阵列层面,且与传统的二维存储器不同,三维相变存储器采用了新型的双向阈值开关(OTS)器件作为选通器件。

   IBM是相变存储器多值存储技术的推进者,其每个存储单元都能长时间可靠地存储多个字节的数据。为了实现多位存储,IBM开发出了两项创新性的使能技术:一套不受偏移影响单元状态测量方法,以及偏移容错编码和检测方案。

   尽管PCM芯片技术上亮点很多,但迟迟没有大规模量产的原因在于,PCM芯片除了生产难度之外还有一个关键问题就是容量太小,核心容量不过512Mb、1Gb左右,与NAND闪存的512Gb、1TB相差甚远,所以不可能替代NAND闪存,主要用于一些嵌入式产品中,与NOR闪存之类的产品相比,PCM相变存储目前也没有明显的优势。

   目前,国内外有不少企业和科研机构都在研究相变存储器,但由于PCM技术还有很多难点有待攻克,故大多机构的研发进展并不顺利,且PCM知识产权主要被索尼、三星、IBM、美光四家公司所垄断。国内方面,目前对PCM技术的研究机构主要有中国科学院上海微系统与信息技术研究所、华中科技大学等。中国科学院上海微系统与信息技术研究所发现了比国际量产的Ge-Sb-Te性能更好的TI-Sb-Te自主新型相变存储材料,自主研发了具有国际先进水平的双沟道隔离的4F2高密度二极管技术,开发出了我国第一款8Mb PCM试验芯片。

   不仅如此,就在上个月,国内的江苏时代全芯公司发布了相变存储可编程只读存储器,2Mb大小,号称是继三星、美光之后少数掌握相变存储芯片核心技术的公司。据了解,江苏时代全芯公司成立于2016年10月,股东有江苏时代全芯存储科有限公司和淮安园兴投资有限公司,致力于开发及生产搭载最新PCM技术的存储产品。

   江苏淮安PCM生产项目总投资130亿元,一期投资43亿元,淮安园兴投资有限公司出资16亿元人民币占股44%。江苏时代全芯存储科技有限公司以自有的知识产权和现金出资,占股56%,其中知识产权主要包括公司的专有技术及专利。

   虽然该公司号称是全球第三家掌握PCM相变存储技术的公司,拥有自主知识产权,不过他们的技术来源实际上是IBM授权,2009年就开始跟IBM合作,所生成的275项授权自IBM的专利、92项自主知识产权专利及近1000项非专利专有技术都正式转移到了江苏淮安。尽管现在时代全芯的相变存储芯片容量还比较小,但也是国内见诸报道中首次量产PCM芯片,技术进步的意义还是很重大的。

 
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