武漢光電國家實驗室繆向水:相變存儲發展趨勢

由中國計算機學會信息存儲技術專業委員會、中國教育部信息存儲系統重點實驗室和DOIT、存儲在線共同舉辦的2016中國快閃記憶體峰會在京召開，主題為「關鍵之年，讓快閃記憶體綻放」，來自產業界的眾多嘉賓圍繞快閃記憶體技術本身將如何演變與發展，以及快閃記憶體競爭的其它存儲晶片技術，存儲系統將會怎樣發展這些熱點問題進行了精彩的分享。

武漢光電國家實驗室信息存儲材料研究所所長繆向水講述了相變存儲發展趨勢，以下為整理內容：

相變存儲器原理。相變半導體材料在電流穿過的時候，使材料原子發生無序到有序的排列。當從有序到無序的排列時，電子穿過的時候會有阻力，引起的阻力大小和電阻的大小。再通過檢測電阻的大小來檢測0和1。它的主要特點為尺寸越小操作電流越小，對高密度非常有用。

繆向水解釋稱：「因為尺寸小的情況下，它的容量越大，假如說容量大的話你要求它的電壓大也是不現實的，所以說必須操作電流小。動態數據範圍，差別很大，最大可以到100萬倍。」

國際半導體工業協會認為相變存儲器有可能取代快閃記憶體和DRAM等目前主流產品，成為未來存儲器的主流產品。

關於相變存儲器技術的國際研究機構有英特爾，三星和IBM等。國內有兩家，華中科技大學和武漢新芯合作，另一個就是中科院衛星所與SMIC的合作。

相變存儲器的應用。2011年三星在手機上採用了1GB的相變存儲器晶片。2011年美光將8GB晶片用於PRAM SSD。2013年諾基亞Asha手機使用美光 1GB晶片，2016年5月份IBM將其用於伺服器。

三星2550手機採用512MB PCRAM發現存儲速度比快閃記憶體快了200-1000倍，PCRAM是隨機存儲器，延時為DRAM的級別。現在的相變存儲器的時間大概是100納秒左右，DRAM為60納秒，但比快閃記憶體快了很多，可用作混合存儲器。

PCRAM在2011年很火，後面沉浸了幾年，2015年PCRAM有了新的機遇——3D Xpoint，採用交叉點陣結構。因為想在三維裡面疊層，而3D NAND的技術也還是快閃記憶體的技術，仍然逃不過未來的物理極限。相變存儲器假如說採用了空間堆疊結構，存儲容量會增大，速度會更快。未來形成3D空間結構，必須得利用交叉點陣的結構，以前的結構已經不適應三層疊加。

以前的相變存儲器一般利用三極體，整個面積會很大，三維堆疊很困難。現在的3D Xpoint存儲單元可以獨立進行讀寫，速度是現有快閃記憶體1000倍，存儲密度是現在DRAM的5-10倍。主要優點是解決工藝問題和電串擾和熱串擾技術。

今年5月份，IBM開始了研究，在一個單元裡面訪問3個比特，這是重要的裡程碑，相變存儲器相對DRAM成本降低接近快閃記憶體，容量和速度方面有很大的提升。

對於相變存儲器的未來發展。繆向水表示，以前都說要Scaling down，22納米容量要做到8GB容量，現在的思路是利用多值存儲，或者說三維的堆疊，這是發展趨勢。另外還要減少操作電流，降低功耗。

結構設計方面減少接觸面積，現在的思路是做納米相變存儲器。還有界面相變存儲器，利用界面來實現相變存儲。關於抑制組織漂移和熱串擾問題也有了更好的解決方法——採用控制算法和容錯算法抑制組織漂移，採用熱導率優化，利用超晶格和界面的影響，改變熱串擾問題，提高器件的可靠性。

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