每生產(chǎn)一個(gè)打印機(jī)用的芯片，僅去掉電池一項(xiàng)，成本就能降低20%。中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所信息功能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任宋志棠，興奮地給解放日?qǐng)?bào)·上觀新聞?dòng)浾咚懔艘还P賬，他們聯(lián)合中芯國(guó)際集成電路制造(上海)有限公司和珠海艾派克微電子有限公司開發(fā)的相變存儲(chǔ)器芯片，無(wú)需像其他芯片一樣攜帶電池，大小不到1平方厘米，不僅增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性，更加環(huán)保，還節(jié)省了加工費(fèi)，4個(gè)月來已完成銷售1600萬(wàn)顆。這是國(guó)際上第一個(gè)嵌入式相變存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品。

在上海微系統(tǒng)所的信息功能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，解放日?qǐng)?bào)·上觀新聞?dòng)浾呖吹?，同樣查?8Mb的資料，安裝了這種相變存儲(chǔ)器的裝置，只需1秒鐘即可完成，而傳統(tǒng)存儲(chǔ)器驅(qū)動(dòng)的裝置則需19秒。從率先在國(guó)內(nèi)開展研發(fā)，到開發(fā)出中國(guó)第一款具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的相變存儲(chǔ)器芯片，再到真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化銷售，這條產(chǎn)學(xué)研之路整整走了14年。

下一代存儲(chǔ)技術(shù)的最佳解決方案之一

所謂“相變”，即物質(zhì)從一種“相”變成另外一種“相”，例如水從液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)。相變存儲(chǔ)器就是利用特殊材料在晶態(tài)和非晶態(tài)之間進(jìn)行可逆轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)信息的寫入和擦除，通過電阻變化實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀出。相變存儲(chǔ)器具有非揮發(fā)性(斷電后儲(chǔ)存的資料不會(huì)消失)、循環(huán)壽命長(zhǎng)、寫入速度快、穩(wěn)定性好、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，被業(yè)界認(rèn)為是下一代存儲(chǔ)技術(shù)的最佳解決方案之一。

集成電路產(chǎn)業(yè)是我國(guó)新型戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是該產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，去年約占集成電路產(chǎn)業(yè)23%的市場(chǎng)份額。2016年全球存儲(chǔ)器產(chǎn)出5000多億元，我國(guó)就消耗了54.1%，大約有2800億元，但國(guó)產(chǎn)芯片的自給率還不足10%。一般通用的存儲(chǔ)器芯片有動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器和閃存兩種，占了95%的市場(chǎng)份額。由于計(jì)算機(jī)的交互傳輸，數(shù)據(jù)在其間不停地倒來倒去，動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器雖然速度快壽命長(zhǎng)，但一斷電就沒有了;閃存雖可以保存數(shù)據(jù)，但速度慢壽命短。

能否找到一種低壓低功耗高速度的存儲(chǔ)器呢?其實(shí)早在上世紀(jì)七十年代，相變材料就被發(fā)現(xiàn)了，但一直沒有產(chǎn)業(yè)化，因?yàn)楫?dāng)時(shí)加工尺寸大，和集成電路不匹配。2003年，宋志棠萌生了研發(fā)相變存儲(chǔ)器的念頭。盡管這在國(guó)內(nèi)還是一片空白，納米技術(shù)也剛剛起步，當(dāng)時(shí)的所領(lǐng)導(dǎo)給予了大力支持，把這一項(xiàng)目列入了中科院創(chuàng)新研究工程。

第一款有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的相變存儲(chǔ)器芯片

盡管一開始是基礎(chǔ)研究，但最難之處在于：必須在納米尺度下才能測(cè)出相變材料的屬性，也就是比頭發(fā)絲還要小100倍的存儲(chǔ)單元，才能發(fā)生可逆相變。其次，在相變的過程中，從非晶態(tài)到晶態(tài)，體積會(huì)縮小7%。面對(duì)這些困難，宋志棠團(tuán)隊(duì)沒有放棄。既然要在納米尺度下才能做研究，那就干脆搭建了一個(gè)納米加工平臺(tái)，直到現(xiàn)在，這個(gè)平臺(tái)還面向長(zhǎng)三角地區(qū)開放。體積會(huì)改變，那就改進(jìn)工藝，改了上百次，終于得到了實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)的一個(gè)相變單元。期間，關(guān)于相變材料的基礎(chǔ)研究也取得了突破。

一個(gè)相變單元可以做到高效存儲(chǔ)，但一百個(gè)單元的納米陣列能否實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)還很難說。在一平方毫米的空間做出100萬(wàn)個(gè)以上的存儲(chǔ)單元，這是一個(gè)工程化的研究過程，已經(jīng)難以在實(shí)驗(yàn)室里完成。宋志棠至今清晰記得，2007年1月的一個(gè)晚上，就在他煙霧繚繞的辦公室，中芯國(guó)際集成電路制造(上海)有限公司的兩位負(fù)責(zé)人，決定和上海微系統(tǒng)所一起組建“納米半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”。在聯(lián)合攻關(guān)下，他們終于研制成功中國(guó)第一款具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的8Mb相變存儲(chǔ)器芯片，并實(shí)現(xiàn)全部存儲(chǔ)功能，成功實(shí)現(xiàn)音頻錄放功能演示，引起了國(guó)內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注。

這個(gè)時(shí)候距離產(chǎn)業(yè)化，盡管還差一口氣，但卻是關(guān)鍵的一步。宋志棠離開實(shí)驗(yàn)室，到各地去推銷芯片。盡管這是一個(gè)新技術(shù)，但能否變成產(chǎn)品，很多企業(yè)都有疑慮，覺得不如使用現(xiàn)成的成熟技術(shù)，組裝了就能銷售。被無(wú)數(shù)家企業(yè)拒絕后，2012年12月，上海微系統(tǒng)所和珠海艾派克簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議，決定共同推進(jìn)相變存儲(chǔ)器在打印機(jī)芯片中的應(yīng)用。

“要成為老百姓用的商品，就要經(jīng)受得住考驗(yàn)。”宋志棠說，樣品交付時(shí)，先是放在200多攝氏度高溫的火里烤了一天，再一個(gè)個(gè)單元進(jìn)行測(cè)試，錯(cuò)誤率必須控制在千分之五。再拿到一百多臺(tái)打印機(jī)上去試驗(yàn)，人為制造各種故障，錯(cuò)誤率依然要控制在千分之五。就這樣，一個(gè)最初的科學(xué)想法，終于變成了一個(gè)批量化生產(chǎn)的商品。英特爾公司投入了200多億元實(shí)現(xiàn)相變存儲(chǔ)器的商用，而這支團(tuán)隊(duì)只用了四五億元就實(shí)現(xiàn)了嵌入式相變存儲(chǔ)器的產(chǎn)業(yè)化。

相變存儲(chǔ)器在其他領(lǐng)域還有很大的空間

“就像城市里的高架一樣，一塊芯片有立體的6層，如果仔細(xì)解剖出來比地圖還復(fù)雜。”一直和材料打交道的宋志棠對(duì)芯片有著一種特殊感情。說起集成電路產(chǎn)業(yè)，他有些焦慮，因?yàn)樵S多國(guó)際知名公司都在大陸紛紛建廠，很多核心技術(shù)還掌握在他們手里。說起相變存儲(chǔ)器未來的應(yīng)用，他又有了信心，因?yàn)楝F(xiàn)在的打印機(jī)用相變存儲(chǔ)器芯片實(shí)際只用了1Mb的存儲(chǔ)，而他們現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了128Mb，在其他領(lǐng)域還有很大的空間。

前方的路，還需跋涉。宋志棠說，接下來團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)推進(jìn)嵌入式芯片的產(chǎn)業(yè)化，他將同時(shí)著手大容量高密度的獨(dú)立式相變存儲(chǔ)器的基礎(chǔ)研究。