相變存儲(chǔ)器的工作原理和最新的研究進(jìn)展

　　近年來，非易失性存儲(chǔ)技術(shù)在許多方面都取得了一些重大進(jìn)展，為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的存儲(chǔ)能效提升帶來了新的契機(jī)，采用新型非易失性存儲(chǔ)技術(shù)來替代傳統(tǒng)的存儲(chǔ)技術(shù)可以適應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展對(duì)高存儲(chǔ)能效的需求。以相變存儲(chǔ)器為代表的多種新型存儲(chǔ)器技術(shù)因具備高集成度、低功耗等特點(diǎn)而受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，本文介紹相變存儲(chǔ)器的工作原理、技術(shù)特點(diǎn)及其國內(nèi)外最新研究進(jìn)展。

　　一、相變存儲(chǔ)器的工作原理

　　相變存儲(chǔ)器(Phase Change Random Access Memory, 簡(jiǎn)稱PCRAM)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，相變存儲(chǔ)器的基本存儲(chǔ)原理是在器件單元上施加不同寬度和高度的電壓或電流脈沖信號(hào)，使相變材料發(fā)生物理相態(tài)的變化，即晶態(tài)(低阻態(tài))和非晶態(tài) (高阻態(tài))之間發(fā)生可逆相變互相轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)信息的寫入 (“1”)和擦除(“0”)操作。相互轉(zhuǎn)換過程包含了晶態(tài)到非晶態(tài)的非晶化轉(zhuǎn)變以及非晶態(tài)到晶態(tài)的晶化轉(zhuǎn)變兩個(gè)過程，其中前者被稱為非晶化過程，后者被稱為晶化過程。然后依靠測(cè)量對(duì)比兩個(gè)物理相態(tài)間的電阻差異來實(shí)現(xiàn)信息的讀出，這種非破壞性的讀取過程，能夠確保準(zhǔn)確地讀出器件單元中已存儲(chǔ)的信息。

　　相變材料在晶態(tài)和非晶態(tài)的時(shí)候電阻率差距相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，使得其具有較高的噪聲容限，足以區(qū)分“ 0”態(tài)和“ 1”態(tài)。目前各機(jī)構(gòu)用的比較多的相變材料是硫?qū)倩?英特爾為代表)和含鍺、銻、碲的合成材料(GST)，如Ge2Sb2Te5(意法半導(dǎo)體為代表)。

　　圖1: PCRAM結(jié)構(gòu)示意圖

　　二、相變存儲(chǔ)器的技術(shù)特點(diǎn)

　　相變存儲(chǔ)器具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如可嵌入功能強(qiáng)、優(yōu)異的可反復(fù)擦寫特性、穩(wěn)定性好以及和CMOS工藝兼容等。到目前為止，還未發(fā)現(xiàn)PCRAM 有明確的物理極限，研究表明相變材料的厚度降至2nm時(shí)，器件仍然能夠發(fā)生相變。因而，PCRAM 被認(rèn)為是最有可能解決存儲(chǔ)技術(shù)問題、取代目前主流的存儲(chǔ)產(chǎn)品，成為未來通用的新一代非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件之一。

　　相變存儲(chǔ)器提高存儲(chǔ)容量的方式有兩種：一種是三維堆疊，還有一種是多值技術(shù)。英特爾和美光重點(diǎn)突破的是三維堆疊技術(shù)，而IBM在多值存儲(chǔ)領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。

　　圖2：PCRAM突破存儲(chǔ)容量的兩大技術(shù)方向：三維堆疊和多值存儲(chǔ)

　　三維堆疊技術(shù)通過芯片或器件在垂直方向的堆疊，可以顯著增加芯片集成度，是延續(xù)摩爾定律的一種重要技術(shù)。交叉堆疊(cross point)的三維存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于非易失存儲(chǔ)器，英特爾和美光共同研發(fā)的3D Xpoint技術(shù)，便是一種三維交叉堆疊型相變存儲(chǔ)器。當(dāng)前，三維新型非易失存儲(chǔ)器的研究主要集中在器件和陣列層面。與傳統(tǒng)的二維存儲(chǔ)器不同，三維相變存儲(chǔ)器采用了新型的雙向閾值開關(guān)(Ovonic Threshold Switch，OTS)器件作為選通器件(selector)。根據(jù)OTS器件的物理特性和三維交叉堆疊陣列結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，三維交叉堆疊型相變存儲(chǔ)器采用一種V/2偏置方法以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)單元的操作。

　　IBM是相變存儲(chǔ)器多值存儲(chǔ)技術(shù)的推進(jìn)者，其每個(gè)存儲(chǔ)單元都能長時(shí)間可靠地存儲(chǔ)多個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)多位存儲(chǔ)，IBM的科學(xué)家開發(fā)出了兩項(xiàng)創(chuàng)新性的使能技術(shù)：一套不受偏移影響單元狀態(tài)測(cè)量方法以及偏移容錯(cuò)編碼和檢測(cè)方案。更具體地說，這種新的單元狀態(tài)測(cè)量方法可測(cè)量PCRAM單元的物理特性，檢測(cè)其在較長時(shí)間內(nèi)是否能保持穩(wěn)定狀態(tài)，這樣的話其對(duì)偏移就會(huì)不敏感，而偏移可影響此單元的長期電導(dǎo)率穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)單元上所儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)在環(huán)境溫度波動(dòng)的情況下仍能獲得額外的穩(wěn)健性(additional robustness)，IBM的科學(xué)家采用了一種新的編碼和檢測(cè)方案。這個(gè)方案可以通過自適應(yīng)方式修改用來檢測(cè)此單元所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的電平閾值，使其能隨著溫度變化引起的各種波動(dòng)而變化。因此，這種存儲(chǔ)器寫入程序后，在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)都能可靠地讀取單元狀態(tài)，從而可提供較高的非易失性。

　　三、國內(nèi)外相變存儲(chǔ)器的最新研究進(jìn)展

　　目前國內(nèi)外有不少企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)都在研究相變存儲(chǔ)器，但由于PCRAM技術(shù)還有很多難點(diǎn)有待攻克，故大多機(jī)構(gòu)的研發(fā)進(jìn)展并不順利，國外PCRAM知識(shí)產(chǎn)權(quán)主要被索尼、三星、IBM、美光四家公司所壟斷，能實(shí)現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)的只有三星、美光等海外大公司，以及國內(nèi)中科院上海微系統(tǒng)所與信息技術(shù)研究所。近期IBM方宣稱其在PCRAM領(lǐng)域取得了重大突破，其使用能夠以多種不同的電阻級(jí)別來實(shí)現(xiàn)每單元3 bit(即8個(gè)電阻級(jí)別)的容納能力，其速度比NAND快70倍，讀取延遲僅為1微秒，是DRAM的十倍，寫入周期長達(dá)100萬次。

　　圖3：國外PCRAM的主要研發(fā)機(jī)構(gòu)

　　國內(nèi)目前對(duì)PCRAM技術(shù)的研究機(jī)構(gòu)主要有中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、華中科技大學(xué)等。中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所發(fā)現(xiàn)了比國際量產(chǎn)的Ge-Sb-Te性能更好的Ti-Sb-Te自主新型相變存儲(chǔ)材料;自主研發(fā)了具有國際先進(jìn)水平的雙溝道隔離的4F2高密度二極管技術(shù);開發(fā)出了我國第一款8Mb PCRAM試驗(yàn)芯片;所開發(fā)的基于0.13umCMOS工藝的打印機(jī)用嵌入式PCRAM產(chǎn)品已獲得首個(gè)750萬顆的訂單;所開發(fā)的基于40nm高密度二極管技術(shù)、具有最小單元尺寸的自讀存儲(chǔ)器已經(jīng)開始送樣;所研制的40nm節(jié)點(diǎn)PCRAM試驗(yàn)芯片的單元成品率最高達(dá)99.999%以上，甚至有不加修正4Mb、64Mb PCRAM芯片，現(xiàn)已提供客戶在先進(jìn)信息系統(tǒng)上試用。華中科技大學(xué)研制成功容量為1Mb的PCRAM芯片，相變速度達(dá)到同期全球最快(0.2ns)。