➤發現並利用單質元素制造出開關器件是重要創新。以往的相變開關器件材料組成復雜，材料組成越復雜越難在奈米尺度上做均勻，制約三維相變存儲的壽命和存儲密度提升。得益于單質碲組分均一，開關器件的一致性與穩定性進一步得到提升

　　➤“該成果是前所未有的，為實現晶態單質開關器件提供了穩健的方法，此單質開關為三維相變記憶體架構提供了新的視角。”

　　➤大數據時代為三維相變記憶體帶來了優勢應用領域，比如數據分層存儲。“當數據量足夠大的時候，數據不僅可以分為冷數據和熱數據兩類，還可以分出一類介于冷熱之間的。這類數據的存儲可以從傳統記憶體或快閃記憶體替換到三維相變存儲，實現降本增效。”

　　文 | 主持人 董雪

　　《瞭望》新聞周刊記者 程思琪 許東遠

　　如果“三維相變存儲”讓您感到陌生，不妨先認識存儲這位“老朋友”，您的“電子日用品”：手機、電腦、電視、掃地機器人，甚至電飯煲都離不開記憶體，最常見的比如電腦的硬碟（快閃記憶體）和記憶體條。

　　本文的主角，可以説是新型存儲裏實力最能打的——“三維相變存儲”，被視為最有潛力的下一代主流記憶體。中國科學院上海微係統與信息技術研究所宋志棠和朱敏團隊開發了一種前所未有的開關器件，有望讓三維相變存儲的性能進一步升級。這一成果近期入選2022年度中國科學十大進展。

　　該開關器件小到奈米級，發揮著類似電晶體的電路開關作用，與相變存儲材料共同構成基本存儲單元。這項研究成果發表于《科學》雜志。團隊早在2017年就以全新開發的相變存儲材料登上《科學》雜志封面，當時創下的最快存儲速度是700皮秒（1秒=1萬億皮秒）。近日，該團隊進一步挑戰，從科學層面探索了相變存儲的極限速度——242皮秒。

　　大數據時代的發展需要海量存力支援，前沿探索將為全球的新型存儲注入活力。在宋志棠教授的帶領下，《瞭望》新聞周刊記者獨家走進團隊的科研現場，探秘海量存儲最新進展。

　　用“善變”的材料存儲數據

　　本刊記者第一站來到的實驗室名為“資訊功能材料微結構表徵平臺”。打個形象的比喻，這裏就是團隊在材料海洋裏“撈針”的地方。

　　一臺“頂天立地”的大型顯微鏡（雙球差校正投射電子顯微鏡）佔據“C位”，它是科研人員“撈針”的工具。“這臺設備的最高分辨率可以達到0.8埃（1米=100億埃），能清楚地看到原子的變化情況。”宋志棠説。

　　宋志棠告訴記者，材料是相變存儲的核心所在。“相”是物理學中一個概念，可以理解為材料的物理狀態。相變存儲就是利用相變材料的物理狀態變化來存儲數據，而三維相變存儲則是將內部容量從二維“搭平房”升級為三維“蓋樓房”。

　　早在上世紀60年代，科學家發現以硫族元素包括硫、硒和碲化合物為代表的材料有神奇特性：通過電流刺激，它們能在晶體和非晶體間快速變換，並且在這兩種狀態下有巨大的導電差異。

　　“類似于傳統存儲（以記憶體DRAM為例）控制電容存電、放電來記錄1或0，一個電晶體開關和一個電容構成其基本單元。相變存儲用相變存儲材料狀態變換後的導電與否來記錄1或0，開關發揮控制電流的作用。”宋志棠説。

　　能否在眾多材料中找到更好的？做出性能更優的相變存儲開關？朱敏向記者展示了碲開關開合的奇妙過程：能清楚看到原本長方形的碲開關突然“熔化”，膨脹出一個圓形泡泡。

　　具體來看，升溫，碲變液態呈現出金屬性，開關閉合；降溫，碲回歸固態不導電，開關斷開。這樣的“溫控”開關小到奈米級，一開一閉只有15納秒（1秒=10億納秒），可以使用超過1億次，提供強大的電流驅動能力。

　　整個過程是那臺大型顯微鏡拍下的，肉眼完全看不到。而且，實際開合變化很快，眨個眼就進行很多次。“碲開關的實際開合速度還要更快，是皮秒級別的。”朱敏補充説，“15納秒是設備當時能測到的極限數據，所得結果受限于設備技術水準。”

　　宋志棠介紹，發現並利用單質元素制造出開關器件是重要創新。以往的相變開關器件材料組成復雜，材料組成越復雜越難在奈米尺度上做均勻，制約三維相變存儲的壽命和存儲密度提升。得益于單質碲組分均一，開關器件的一致性與穩定性進一步得到提升。

　　該成果今年3月與祝融號揭秘火星烏托邦平原淺表分層結構、“中國天眼”精細刻畫活躍重復快速射電暴等一同入選2022年度中國科學十大進展。2021年底發表時，《科學》雜志同期發表評論文章稱：“該成果是前所未有的，為實現晶態單質開關器件提供了穩健的方法，此單質開關為三維相變記憶體架構提供了新的視角。”

宋志棠（右一）和朱敏（右三）在實驗室 程思琪攝/ 本刊

　　242皮秒，

　　挑戰相變存儲的速度極限

　　最近，團隊又有一篇重磅成果發表于《先進材料》，關注開關材料之外的另一個根部技術——相變存儲材料，標題為《邁向相變存儲的速度極限》（Toward the Speed Limit of Phase-Change Memory）。

　　不同于碲開關較強的工程應用價值，這次是純粹的科學探索，如同科學領域的奧林匹克競技，就是去挑戰極限。

　　什麼是決定相變存儲速度的關鍵因素？答案是：相變材料從非晶態重新結晶的速度。

　　宋志棠介紹，當前傳統的主流記憶體有快閃記憶體（3DNAND）和記憶體（DRAM）兩種，其中快閃記憶體容量大但速度慢、斷電不失數據；記憶體速度快，DRAM快于10納秒、高速緩衝存儲是幾百皮秒；但容量小、斷電丟失數據。兩者性能互補、配合使用，前者大量存儲數據，後者充當快閃記憶體與處理器（CPU）之間的動態運算橋梁。

　　朱敏向記者介紹了這次探索的目的：從已有商業産品的性能來看，三維相變存儲的整體表現恰好介于兩者之間。存儲速度方面，三維相變存儲遠遠快于快閃記憶體。但是它未來有可能衝擊DRAM記憶體的地位嗎？從理論上講，相變存儲速度最快能有多快？

　　“商業領域主流的相變存儲材料是由鍺、銻、碲三種元素或其中兩種元素組合而成的合金。有趣的是，這些材料的相變速度隨著鍺和碲的濃度降低而加快，隨著銻濃度的增加而加快。”朱敏説，“此次科學實驗選用單質銻進行，元素銻最近被實驗驗證為一種潛在的相變材料。”

　　團隊用大小60奈米的銻存儲單元實現242皮秒的相變速度，證明了相變存儲未來成為記憶體和高速暫存的可能性。不過，科學進展不直接等同于産業突破，更何況這一研究明確定位為一次科學探討。從工程化應用角度看，單質銻存在熱穩定性差等問題。

　　記者採訪了解到，宋志棠團隊上一次關于相變存儲材料的重磅突破，是用含鈧、銻、碲的合金材料制造出全新的相變記憶體單元，其存儲速度可達700皮秒。

　　“作為新型相變存儲材料，鈧與碲的化學鍵穩定，在晶態到非晶體轉變過程中形成穩定的‘八面體’基元，並迅速‘成核’生長為晶體，使存儲功耗降低，存儲速度提升。”宋志棠説。

　　這種擁有自主智慧財産權的鈧銻碲相變存儲材料已用于工程化開發相變記憶體。在測試實驗室，記者看到一批生産回來的晶圓正在接受測試，每片晶圓上精密排布了十余種相變記憶體。“這批相變記憶體的容量從4Mb到128Mb不等，包含嵌入式、獨立式等多種類型。下一批容量會升級到512Mb。”宋志棠介紹。

團隊研發的十余種相變記憶體被精密排布在一片晶圓上（2023 年4 月3 日攝） 許東遠攝/ 本刊

　　面向海量存儲需求加速迭代

　　業界常稱記憶體為“memory（記憶）”，從某種意義上説，它確實很像電子産品的“記憶”。作為電子産品不可或缺的關鍵元器件，也作為智能時代的基石，存儲技術的演進可以引領電子資訊變革，最前沿的軟件技術進步如ChatGPT也要背靠強大的存儲能力（以下簡稱存力）。

　　從磁帶、光碟，到現在的記憶體和快閃記憶體，自存儲誕生以來，業界一直不懈探索提升其性能，希望容量更大、速度更快、價格更低廉。

　　宋志棠介紹，三維相變存儲被寄予厚望由內因和外因共同促成。外因是人工智慧和大數據對存力需求迫切，而傳統存儲因工藝限制面臨擴容的瓶頸。內因則是三維相變存儲本身有高密度整合的優勢，且該優勢隨著制程水準的進步而擴大。“同樣的制程水準做出來，三維相變記憶體的體積更小，而且體積越小、性能越好、成本越低，性價比優勢越強。”宋志棠説。

　　宋志棠介紹，現階段的三維相變存儲産品還在迭代的過程中，整體性能介于傳統快閃記憶體和記憶體之間，簡單來説就是斷電不失去數據的同時，速度比快閃記憶體快但比記憶體慢，容量比快閃記憶體小但比記憶體大，成本比快閃記憶體高但比記憶體低。

　　即便如此，大數據時代也為現在的三維相變記憶體帶來了優勢應用領域，比如數據分層存儲。“當數據量足夠大的時候，數據不僅可以分為冷數據和熱數據兩類，還可以分出一類介于冷熱之間的。這類數據的存儲可以從傳統記憶體或快閃記憶體替換到三維相變存儲，實現降本增效。”宋志棠説。同時，三維相變存儲工藝與嵌入式工藝相容性更好，在嵌入式器件領域也大有可為。

　　接下來，團隊將繼續在科學研究和工程化兩個方面發力。一方面是不斷攀登相變存儲材料和開關材料的科學高峰，為全球的相變存儲技術迭代引領方向、注入動力；另一方面是在工程化領域努力追趕，盡量縮小與國際上的差距。

　　此外，記者在採訪中意外了解到，除了這些傳統存儲已有的應用領域，相變存儲還與人腦的神經元有著微妙的聯繫。以相變存儲和神經元為關鍵詞搜索，能找到一批關于神經元計算的研究近年來在《科學》等國際頂級期刊發表。

　　宋志棠介紹，人腦是由大量神經元和突觸組成的復雜網絡，相變存儲可以用來模擬神經元與突觸。簡單來説，相變存儲材料在非晶態和晶態下的電阻差異通常達到2個數量級，因此可以在0和1之外分出更多的狀態，這與神經元群體的行為有著天然的相似性，神經元活動不是一個二元的、全有或全無的狀態，它可以在開啟和關閉之間採用一係列中間行為。□