瞭望 | 探索在下一代存儲技術最前沿

　　發現並利用單質元素製造出開關器件是重要創新。以往的相變開關器件材料組成複雜，材料組成越複雜越難在納米尺度上做均勻，制約三維相變存儲的壽命和存儲密度提升。得益於單質碲組分均一，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存儲器架構提供了新的視角。”

　　大數據時代為三維相變存儲器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，還可以分出一類介於冷熱之間的。這類數據的存儲可以從傳統內存或閃存替換到三維相變存儲，實現降本增效。”

　　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存儲器，最常見的比如電腦的硬盤（閃存）和內存條。

　　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存儲器。中國科學院上海微系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。

　　該開關器件小到納米級，發揮着類似晶體管的電路開關作用，與相變存儲材料共同構成基本存儲單元。這項研究成果發表於《科學》雜誌。團隊早在2017年就以全新開發的相變存儲材料登上《科學》雜誌封面，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持，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“信息功能材料微結構表徵平台”。打個形象的比喻，這裡就是團隊在材料海洋裏“撈針”的地方。

　　一台“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&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。

　　“類似於傳統存儲（以內存DRAM為例）控制電容存電、放電來記錄1或0，一個晶體管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闔的奇妙過程：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”開關小到納米級，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&&型顯微鏡拍下的，肉眼完全看不到。而且，實際開闔變化很快，眨個眼就進行很多次。“碲開關的實際開闔速度還要更快，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，所得結果受限於設備技術水平。”

　　宋志棠介紹，發現並利用單質元素製造出開關器件是重要創新。以往的相變開關器件材料組成複雜，材料組成越複雜越難在納米尺度上做均勻，制約三維相變存儲的壽命和存儲密度提升。得益於單質碲組分均一，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》雜誌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存儲器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

　　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於《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）。

　　不同於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，當前傳統的主流存儲器有閃存（3DNAND）和內存（DRAM）兩種，其中閃存容量大但速度慢、斷電不失數據；內存速度快，DRAM快於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，後者充當閃存與處理器（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於兩者之間。存儲速度方面，三維相變存儲遠遠快於閃存。但是它未來有可能衝擊DRAM內存的地位嗎？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着鍺和碲的濃度降低而加快，隨着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納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內存和高速緩存的可能性。不過，科學進展不直接等同於産業突破，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於相變存儲材料的重磅突破，是用含鈧、銻、碲的合金材料製造出全新的相變存儲器單元，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。

　　這種擁有自主知識産權的鈧銻碲相變存儲材料已用於工程化開發相變存儲器。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存儲器。“這批相變存儲器的容量從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存儲器被精密排布在一片晶圓上（2023年4月3日攝） 許東遠攝

　　面向海量存儲需求加速迭代

　　業界常稱存儲器為“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信息變革，最前沿的軟體技術進步如ChatGPT也要背靠強大的存儲能力（以下簡稱存力）。

　　從磁帶、光盤，到現在的內存和閃存，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。外因是人工智能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集成的優勢，且該優勢隨着製程水平的進步而擴大。“同樣的製程水平做出來，三維相變存儲器的體積更小，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，整體性能介於傳統閃存和內存之間，簡單來説就是斷電不失去數據的同時，速度比閃存快但比內存慢，容量比閃存小但比內存大，成本比閃存高但比內存低。

　　即便如此，大數據時代也為現在的三維相變存儲器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，還可以分出一類介於冷熱之間的。這類數據的存儲可以從傳統內存或閃存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兼容性更好，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着微妙的&&。以相變存儲和神經元為關鍵詞搜索，能找到一批關於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複雜網絡，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着天然的相似性，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系列中間行為。（記者 程思琪 許東遠）