降低一千倍！华中科技大学团队研制出全世界功耗最低的相变存储器

近日，据华中科技大学集成电路学院发文称，学院团队研制出全世界功耗最低的相变存储器。这种新型网状非晶结构的相变存储器功耗达到了0．05pJ（1pJ ＝ 1e－12J J为焦耳 pJ为皮焦耳）以下，比主流产品功耗低了一千倍。除了低功耗以外，该相变存储器拥有一致性好且寿命长的优点。该成果以“Designing Conductive－Bridge Phase－Change Memory to Enable UltralowProgramming Power”为题发表在《AdvancedScience》上。

相变存储器就是利用特殊材料在晶态和非晶态之间进行可逆转变，被业界认为是下一代存储技术的最佳解决方案之一。但其自身也存在一些缺陷，特别是写性能、写功耗和写寿命问题，一直都是业内想要攻克的目标。

2015年，Intel和Micron推出了傲腾三维相变存储芯片，速度和寿命比固态闪存硬盘要快一千倍，其三维堆叠技术也使容量高出了十倍。

然而，由于在相变过程中需要将存储介质熔化冷却，导致相变存储器的功耗极高且发热严重，限制了存储容量的进一步提高，也大大增加了其制造成本。目前最先进的几十纳米制程的单个相变存储单元擦写功耗达到了40pJ左右，而实验室制备的百纳米大小的器件功耗达到1000pJ以上。而华中科技大学团队研发的这相变存储器，功耗达到了0．05pJ以下。

Ｔ型结构是相变存储器最基础的一种结构 ，对比其他结构由于其平面面积较小被广泛应用于芯片的制备之中，也是通常所说的“蘑菇结构”。与之不同的是这种新型存储器利用相变材料的自发分相在介质中形成了一些“导电岛”，显示可编程层具有项链状网络，而对该存储器的擦写只需要将这些岛链接或者断开即可。这种结构的相变存储器在制备工艺上同样具有很大优势，到目前为止，所有降低功耗的方法都遵循功耗和数据存储设备大小之间的直接缩放关系，这提高了器件制备的工艺难度，网状非晶结构的相变存储打破了功耗与器件大小的比例依赖关系，使之无需添加复杂的制造工艺。

在此之前，全世界功耗最低的相变存储器是由碳纳米线实现的，然而这种碳纳米线工艺要实现大规模半导体制造还需要很长的时间。

据华中科技大学集成电路学院官网文章指出，该研究是在国家自然科学基金、国家重点研发计划和国家02专项的资助下开展，受到了中科院上海微系统所朱敏研究员的倾力相助。

值得注意的是，朱敏所属的中科院上海微系统所在相变材料和开关器件性能领域的研究一直走在世界前列，包括朱敏本人也在2017年，和他的团队创造了700皮秒相变存储器操作速度的世界纪录，研究成果也在《科学》发表。

存储器是现代信息系统最关键的组件之一，直接关系到国家的信息安全。然而，现有的主流存储器内存和闪存，因无法兼具高速与高密度特性，难以满足指数型增长的数据存储需要，急需发展下一代海量高速存储技术。

另一方面，我国的存储器更是严重依赖于进口。据国家统计局公布的数据，目前中国每年的集成电路产品进口量已经超过石油，在进口的集成电路中，存储器更是占据80％的市场数量份额。仅2020年我国集成电路芯片进口总额为24207亿元，接近石油原油进口额的两倍，其中存储器芯片占比约1／3。

随着数字经济、5G、物联网、人工智能新兴应用场景对存储提出了更高的性能要求，数据爆发式增长，人类社会正步入到以大数据为特征的智能化时代，新型存储器迅速发展，势必会影响未来存储器市场格局。

我国正在大力发展存储产业，除了在传统存储器上努力实现追赶，PCM相变储存器作为新型中最有可能完全替代DRAM的新型NVM技术之一，将是国内未来存储产业生态的重要部分，也是实现存储技术弯道重要机遇。