IBM、旺宏和奇夢達(dá)共同推出新型存儲(chǔ)芯片技術(shù)

 

尺寸非常小的新型“相變”內(nèi)存速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于閃存

來自IBM、旺宏和奇夢達(dá)的科學(xué)家今天聯(lián)合發(fā)布他們的共同研究成果，這種新型計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器技術(shù)將有望取代已被廣泛用于計(jì)算機(jī)和消費(fèi)類電子產(chǎn)品（如數(shù)碼相機(jī)和便攜式音樂播放器）的閃存芯片。

新研究成果預(yù)示“相變”內(nèi)存的前景一片光明，該內(nèi)存的處理速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于閃存，并且尺寸也比閃存小得多，從而使未來高密度“非易失性”存儲(chǔ)器以及功能更強(qiáng)大的電子設(shè)備的出現(xiàn)成為可能。非易失性存儲(chǔ)器無需利用電力來保存信息。通過將非易失性與優(yōu)異性能以及可靠性完美結(jié)合起來，相變技術(shù)還為面向移動(dòng)應(yīng)用的通用存儲(chǔ)器開辟了道路。 

來自三家公司的科學(xué)家們在位于美國東西海岸的兩個(gè)IBM研究中心實(shí)驗(yàn)室一起設(shè)計(jì)、制作和展示相變內(nèi)存原型：交換速度也比閃存快500倍，而寫入數(shù)據(jù)的功耗不到閃存的一半。該器件的截面面積僅為3*20納米，遠(yuǎn)比當(dāng)今的閃存小，并且與業(yè)界預(yù)期的2015年芯片制造能力相吻合。新成果還表明，當(dāng)相變存儲(chǔ)器尺寸隨摩爾定律減小時(shí)，其技術(shù)仍會(huì)不斷提高，這與閃存特性不同。

“這些成果充分證明，相變存儲(chǔ)器的前景將非常光明，”IBM研究院科技副總裁T.C. Chen博士說道，“許多人都預(yù)計(jì)，在不久的將來閃存會(huì)遭遇嚴(yán)重的尺寸縮小限制。如今，我們推出了新型相變存儲(chǔ)材料，即使體積極其微小，該材料也會(huì)具有非常高的性能。這將最終導(dǎo)致相變存儲(chǔ)器對(duì)許多應(yīng)用非常有吸引力。”

這種新型材料是一種復(fù)雜的半導(dǎo)體合金，是在位于加州圣何塞的IBM阿爾馬登研究中心經(jīng)過深入的研究誕生的。該材料借助專門用于相變存儲(chǔ)單元的數(shù)學(xué)仿真設(shè)計(jì)而成。 

“許多新興的存儲(chǔ)技術(shù)，如相變存儲(chǔ)器，是奇夢達(dá)高級(jí)存儲(chǔ)技術(shù)開發(fā)的重要元素，”奇夢達(dá)股份公司技術(shù)創(chuàng)新高級(jí)副總裁 Wilhelm Beinvogl 博士說道，“我們已經(jīng)展示了這款體積非常小的相變存儲(chǔ)器的潛力，可以看出，相變存儲(chǔ)器在未來的存儲(chǔ)器系統(tǒng)中將發(fā)揮十分重要的作用。” 

這一研究成果的技術(shù)細(xì)節(jié)將于本周在舊金山舉辦的電氣電子工程師協(xié)會(huì) (IEEE) 2006年國際電子器件大會(huì) (IEDM) 上進(jìn)行展示（論文30.3：“采用 GeSb 的超薄相變橋接存儲(chǔ)器”——Y.C.Chen等人，12月13日星期三上午）。該論文也是即將于2007年2月在舊金山舉辦的IEEE國際固態(tài)電子電路大會(huì)“2006年IEDM技術(shù)亮點(diǎn)”會(huì)議選中的五篇論文之一。

“旺宏自從成立以來就致力于非易失性存儲(chǔ)器的開發(fā)，”旺宏電子總裁Miin Wu說道，“IEDM和ISSCC的認(rèn)可證明我們與IBM和奇夢達(dá)的共同努力已經(jīng)在相變存儲(chǔ)器技術(shù)領(lǐng)域獲得成功。除了相變存儲(chǔ)器技術(shù)的突破，我們還在開發(fā)新型NAND閃存技術(shù)——BE-SONOS，一種面向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用的解決方案。我們一直致力于為我們的客戶提供高性能的先進(jìn)易非失性存儲(chǔ)器解決方案。”

技術(shù)細(xì)節(jié)

計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)單元通過在兩種易辨狀態(tài)（數(shù)字“0”或“1”）間迅速轉(zhuǎn)換的架構(gòu)存儲(chǔ)信息。當(dāng)前的大多數(shù)存儲(chǔ)器都是根據(jù)微小的存儲(chǔ)單元的有限區(qū)域中有無電荷來記錄數(shù)據(jù)的。業(yè)界處理速度最快和最經(jīng)濟(jì)的存儲(chǔ)設(shè)計(jì)分別是采用固有泄漏存儲(chǔ)單元的SRAM（靜態(tài)內(nèi)存）和DRAM（動(dòng)態(tài)內(nèi)存），因此，它們需要連續(xù)供電，如果是DRAM，還要不斷刷新。一旦電源中斷，這些“易失性”存儲(chǔ)器就會(huì)丟失它們所存儲(chǔ)的信息。 

當(dāng)前使用的大多數(shù)閃存都有一個(gè)存放電荷的部分——“浮柵”，其設(shè)計(jì)特點(diǎn)是不會(huì)泄漏。因此，閃存可保持其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)并且只在讀、寫或擦掉信息時(shí)需要供電。這種“非易失性”特征使得閃存被廣泛用于以電池供電的便攜式電子設(shè)備中。非易失性數(shù)據(jù)保留也是一般計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一大優(yōu)勢，但是在閃存上寫入數(shù)據(jù)要比在DRAM或SRAM上寫入數(shù)據(jù)慢上千倍。而且，閃存存儲(chǔ)單元在被寫過大約10萬次以后就會(huì)降質(zhì)并且變得不再可靠。這對(duì)于許多消費(fèi)應(yīng)用來說并不是問題，但對(duì)那些必須頻繁重寫的應(yīng)用，如計(jì)算機(jī)主存儲(chǔ)器或網(wǎng)絡(luò)的緩沖存儲(chǔ)器或存儲(chǔ)系統(tǒng)來說，這將會(huì)帶來問題。閃存在未來面臨的第三個(gè)問題是，按照摩爾定律，現(xiàn)有的存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)在進(jìn)入45納米制程時(shí)，很難繼續(xù)保持非易失性特性。 

由IBM、旺宏和奇夢達(dá)共同取得的相變存儲(chǔ)器成果極其重要，因?yàn)樗粌H推出了一種新型非易失性相變材料（轉(zhuǎn)換速度比閃存快500倍，功耗不到閃存的一半），最重要的是，當(dāng)其尺寸縮小為至少22納米時(shí)，依然可實(shí)現(xiàn)這些性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先浮柵閃存。 

該相變存儲(chǔ)器的核心是一小片半導(dǎo)體合金膜，它可以在有序的、具有更低電阻的結(jié)晶相位與無序的、具有更高電阻的非結(jié)晶相位之間快速轉(zhuǎn)換。因?yàn)闊o需電能來保持這種材料的任意一種相位，所以，相變存儲(chǔ)器是非易失性的。

該材料的相位是由用來加熱該材料的電脈沖的幅度和持續(xù)時(shí)間設(shè)定的。當(dāng)材料被加熱至高于熔點(diǎn)時(shí)，合金的高能原子就會(huì)到處移動(dòng)，進(jìn)行隨機(jī)排列。突然停止電脈沖會(huì)使原子定格在隨機(jī)的非結(jié)晶相位。用大約10納秒的時(shí)間慢慢停止脈沖，原子將有足夠的時(shí)間重新排列為它們優(yōu)先選擇的有序結(jié)晶相位。

新型存儲(chǔ)器材料是一種鍺銻合金 （GeSb），在其中還加入（摻入）了少量其它元素以加強(qiáng)其性能。模擬研究使得研究人員可以微調(diào)和優(yōu)化該材料的性能，并且研究其結(jié)晶行為。新材料成分已經(jīng)申請專利。