宋志棠：存储器芯片之王走向世界存储芯片高地

一、中国版《王者归来》

由新西兰导演彼得·杰克逊导演的奥斯卡金像奖获奖影片《指环王：王者归来》，讲述了这样一个故事：为了完成摧毁魔戒的使命，佛罗多与山姆、咕噜继续前往末日火山，他将考验自己的忠诚及人性中所有的坚强与软弱；同时，甘道夫、亚拉冈、莱格拉斯、金雳也正积极对抗索伦的攻击，合力捍卫中土世界；刚铎首都米那斯提力斯危在旦夕，亚拉冈拾起王者之剑，并在帕兰诺平原展开一场浴血战役；尽管旅程中不断面临重重危机与挑战，远征队还是奋力迎向最光荣的魔戒圣战…….电影中的最后一句台词——“我回来了。”王者归来了！

我把这部电影同一位存储器同行大师联系起来，故事是这样：为了完成存储器的历史使命，大师在黄浦江边带领一支上百人的远征军（上海微系统所＋中芯国际团队），继续前往世界领先的高地，他将考验中国人的耐力和决心；同时，也有另一只队伍从长江中游出发（华科大＋武汉新芯团队），积极对抗美日韩的攻击，合力捍卫中方世界存储之都；存储之都面临中外博弈，大师拾起王者之剑，率先展开远征作战，尽管旅途中不断面临重重危机与挑战，远征队最终还是奋力走向世界存储芯片高地……“我回来了。”存储器之“王者归来”了！

在最近的一次全球存储器半导体峰会论坛上，笔者非常荣幸地认识了这位被称为存储器芯片之“王者归来”故事的主角，来自中科院上海微系统与信息技术研究所的宋志棠博士。说起来这位西安交通大学的校友还是我们同级校友刘纯亮的硕士研究生，给初次见面的我们又增进了些许亲切感。

二、王者利器：存储器

存储器芯片作为三大集成电路基础类通用芯片（其他两种是CPU和FPGA）之一，在集成电路市场份额中占比是最大的，2017年达到了1300亿美元，超过集成电路总份额1／4的比例。原来在世界半导体版图中最强的是英特尔，2017年三星由于存储器出货量猛增，存储器收入增加200亿美元，使得三星超过英特尔一跃成为全球第一半导体大厂。

2017年全球半导体产业收入增长了22.2%，主要增长动力也是来自存储器市场需求的旺盛。所以我们可以看到存储器比较强的几家公司，集成电路整体收入都走在了前列：三星超英特尔排名第一，同比增长52.6%，SK海力士同比增长79%，美光同比增长78.1%，东芝增长29.2%。

随着存储器应用越来越广泛，像大数据中心、企业存储、大容量（海量）存储器等，对存储器的要求会越来越高。

三、我国存储器产业布局

中国是一个存储器消费大国，每年消耗存储器2800多亿（元），消耗了存储器市场的51.4％。在这种情况下，英特尔、三星和海力士都加大了在中国存储器产业的投入。我国从安全考虑也开始了存储器产业的布局。以武汉长江存储为标志，存储芯片已成为近年来我国半导体投资的一个新热点。

2017年我国基本形成了紫光长江存储、福建晋江和合肥长鑫三大存储器基地布局：紫光长江存储以武汉为基地，预计2018年底正式投产32层堆栈的64Gb 3D NAND闪存；福建晋华集团联合台联电在晋江建设DRAM晶圆厂，合肥长鑫联手兆易创新，研发生产19纳米的DRAM内存。前不久的7月16日，长鑫存储宣布DRAM项目正式投片，启动试产8Gb DDR4工程样品，这标志着第一个中国自主研发的DRAM芯片即将问世。

在Flash和DRAM存储器方面，主导的还是国际几个存储器大厂：三星、海力士及美光等，我们的战略还是追随和赶超。但在存储器的另一条战线上，我们国内的研究和成果毫不逊色，这就是以相变存储器为代表的新介质新材料存储器研究。甚至可以不夸张地说，在相变存储器材料和器件领域，我们开始走在了世界前列。

四、我国相变存储器研究现状

目前，我国在新介质新材料存储器芯片研究方面，经过十几年的培育和发展，形成了两只骨干队伍。一个是华科大联合武汉新芯，另一个是中科院上海微系统和信息技术研究所联合中芯国际，这些产学研结合的创新带来了存储器新材料和新器件研究的丰硕成果，他们对以相变存储功能材料为介质的存储器基础研究可以说是与世界同步，甚至有些还走在了世界前列。除了基础研究，在产业化方面以宋志棠为首的中科院团队也“小试牛刀”，他们联手中芯国际打造了8－12吋PCRAM专用技术平台，并在该平台上研发出了用于打印机的相变存储器130纳米工艺芯片并实现量产，已连续供货1500多万片。目前，宋志棠的团队正在研发12英寸40纳米相变存储器工艺，目标针对物联网应用和下一代5G通讯等领域。

相变存储器 (PCRAM) 具有微缩性好、可三维集成、擦写速度快、与新型COMS工艺相兼容等优点，正以变革计算机框架的存储型内存(Storage Class Memory) 角色进入主流存储器市场。但在相变存储器的快速可逆相变机理仍未有共识，宋志棠博士带领团队开展了八面体相变基元以及FCC亚稳态理论下的新型相变材料研究，找到了纳秒级可逆相变的理论实质。并率先在全国建立了第一台300KV双球差矫正、分辨率80pm的信息功能材料微结构表征平台，和高分辨率、近常压光电子能谱分析平台。

宋志棠博士在研究国际先进相变机理的基础上，自主研发了Ti-Sb-Te与Sc-Sb-Te相变材料, 提出八面体原子基元理论。这个新材料对相变存储最大的贡献是解决了PCM的写速度慢的短板问题。并以《发现世界最快Sc-Sb-Te单项相变材料》为题在国际权威杂志“Science”上发表，引起了业界的轰动。

美国媒体以这样的标题报道“相变存储技术的新发现预示着下一代存储器的到来”。IBM科学家SangBum Kim以“快速晶化合金加速相变存储器”为题认为：“写速度的巨大提升立刻让相变存储器成为未来存储器的领跑者”。美国物理学会旗舰刊物Physics Today（《今日物理》）在其网站以“相变存储器达到极快速度”为题报道本论文研究进展，并认为本研究“为下一代计算器件的诞生扫除了一大障碍”。

一个本土中国团队能取得国际同行精英的高度认可，宋志棠和他的团队在新材料基础研究方面默默走过了15个年。看看这些年的成绩单吧，从2011年到2016年，中国专利数量超过500项，全国第一。项目负责人2011年-2016年共申请、授权专利236项，包括13项国际专利。2011年到2016年，项目负责人在PCRAM领域发表SCI论文300余篇，包括Science、Nature Communications、Advanced Materials、Nano Research、Nanoscale等权威杂志，是国际上该领域发表论文最多的研究者。

宋博士对我们说，“这些嵌入式存储器专利布局使中国有望在此领域占领市场制高点，解决我国新型存储器开发多年来只注重基础研究、成果难以工程化的瓶颈，为我国产业化的跨越式发展探索一条新的路子来。”

五、相变存储器：下一代的存储器

相变存储器PCM（Phase Change Memory，也有简写为PCRAM）是利用电脉冲诱导相变材料在高阻的非晶态与低阻的晶态之间进行可逆转变，实现信息的写入和擦除，通过电阻变化实现数据读出的一种新型存储器。

目前主流的半导体存储器主要有两类，一类如电脑内存，虽然读写速度快，但容量小、价格高、掉电易丢失数据；另一类如固态硬盘，优缺点正好相反。相变存储器正好是一种集两者优点于一身的新型存储器。

相变存储器与Flash和DRAM存储器相比，具有如下优点：

1.低延迟，读写时间均衡：与NAND Flash相比，PCM在写入新代码之前不需要擦除原来代码和数据，故其读写速度较NAND Flash有优势，读写时间较均衡。

2.寿命长：PCM读写是非破坏性的，故其耐写能力远超Flash。

3.功耗低：PCM没有机械转动装置，保存代码或数据不需要刷新电流，故功耗比HDD、NAND、DRAM都低。

4.密度高：部分PCM采用非晶体管设计，可实现高密度存储。

5.抗辐照性能好：PCM存储与带电粒子材料状态无关，故有很强的抗空间辐射能力，可满足航天和国防需求。

简言之，相变存储器因其具有非挥发性、循环寿命长、写入速度快、稳定性好、功耗低和可嵌入功能强等优点，特别是在器件特征尺寸微缩方面具有突出优势，被业界认为是下一代非挥发性存储技术的最佳解决方案之一，也是科学家们预测的最先有可能实现产业化的新型存储器。

六、3D Xpoint：相变存储器的新机遇

3D Xpoint是英特尔和美光在2015年联手发明的一项新的存储技术。由于是NAND闪存问世以来出现的新型存储技术，立刻引起了业界的轰动。但是关于3D Xpoint究竟是不是相变存储器，业界还有争论。但从目前已掌握的科学数据来看，它本质上就是相变存储器。虽然作为发明者的英特尔和美光不承认3D Xpoint是相变存储器。

专家们都把3D Xpoint看作是PCM的一个新机遇，英特尔认为，“这是自1989年年NAND问世以来，时隔25年取得的新突破”，在20纳米实现的3D Xpoint，推动其发展的核心动力是发现高速、低功耗、长寿命新型相变材料。这一技术可用于未来潜力巨大的海量存储器。

三星已经用20纳米工艺实现了3D PCM的擦、写速度10、60纳米，海力士用As-SiO2做选通管实现了3维集成。从应用层面来看，3D PCM可以填补在非挥发、速度和访问延迟之间的一个缺口，吃掉部分3D NAND，替代部分DRAM，市场潜力十分巨大。

英特尔预计2020年数据中心的市场规模可达340亿美元，其中3D Xpoint有80亿美元的需求，占有率达23.5%。

七、相变存储器的应用切入点

PCRAM在电子产品中的潜在应用领域有：硬盘（从Flash+DRAM到PCRAM SSD），以及物联网、移动终端、智能家电、智能办公等等。Flash依靠的是快速读出速度、容量和价格推动产品升级换代，但其毫秒级的擦写速度、高操作电压及嵌入式与新型CMOS技术不兼容，这些都制约了Flash的进一步发展。与Flash比较，PCRAM的高速读、写和擦，与新型CMOS工艺兼容，容易实现高密度结构。

宋志棠博士认为，PCM相变存储器可从以下几个方面作为应用切入点：Kb级嵌入式非易失存储—低功耗微控制器、代码存储和掉电保存；Mb级—嵌入式或独立式非易失存储、嵌入式设备数据存储及缓冲；Gb级—独立式高性能非易失存储、FLASH存储设备数据缓冲、高性能计算存储；Tb级—独立式大容量非易失存储、低功耗数据中心。

目前宋志棠团队的大型数据库的高密度存储嵌入式应用已经取得突破，在大容量上有原创性成果。嵌入式PCM 28纳米采用高K Metal Gate新型CMOS技术，满足高速读、写、擦性能的存储器市场；大容量取决于高驱动能力和能三维集成的二极管技术。

八、相变存储器：中国芯的突破口

发展自主的信息功能材料用于集成电路制造是国家战略发展的迫切需求，特别是中兴事件后，这一需求显得尤为迫切。

《国际半导体发展路线图》（ITRS）指出，从2010年开始，非传统半导体材料陆续进入芯片制造领域：PCRAM，MRAM，SFQ，CNT，Graphene……等，到2017年左右，传统半导体技术发展将逼近物理极限（20纳米、14纳米、10纳米、7纳米、5纳米）,半导体技术发展路线图将终结。到2020年，器件将达到热极限，半导体材料将进入量子材料，量子计算和拓扑量子计算将占半导体材料的主流。

目前在材料行业有三个值得注意的发展趋势：（一）用于芯片制造的功能材料数量逐年增多；（二）功能材料对芯片性能的提升，在10纳米工艺节点贡献率超过60％；（三）大硅片以及SOI材料正在成为集成电路衬底与技术发展基石。从这些趋势我们可以充分看到宋志棠团队的研究方向在集成电路制造中的作用是何等重要，其作用会越来越大。

万丈高楼平地起。我们希望国内有越来越多的像宋志棠这样的团队潜心于基础研发不动摇，只有根基扎得深，大树才能枝繁叶茂。只有坚持研发，我们天天喊的“中国芯”才能真正做到“王者归来”为我所用。

宋志棠博士简历

宋志棠，研究员，博士生导师。1997年毕业于西安交通大学电子材料与器件研究所，获工学博士学位。现任信息功能材料国家重点实验室主任，上海市纳电子材料与器件优秀学科带头人，国内PCRAM材料与器件研究的开创者。

研究方向为相变存储材料与器件、纳米抛光液。创建了上海微系统所纳电子材料与器件学科。与产业结合，率先在国内开展相变存储器（PCRAM）的研发，培养与组建了100人产、学、研紧密结合、高水平的研发队伍。是国家集成电路重大专项（02专项）PCRAM项目和973（A类）项目的首席科学家与项目负责人，同时承担国家先导、863、国际重大合作以及上海市重大等项目50余项。申请国家与国际发明专利400余项、在Nature Communications , Nanoscale, Scientific Reports 等国内外知名SCI刊物上发表论文200余篇，撰有《相变存储器》和《相变存储器与应用基础》专著两本。与中芯国际和Microchip联合组建有一支150余人的产学研队伍，建立起12英寸PCRAM专用技术平台，开发出我国第一款PCRAM芯片，在中国首次将PCRAM芯片推向量产。 

先后荣获“新世纪百千万人才工程”国家级人选、上海市领军人才、国务院特殊津贴、上海市优秀学科带头人、上海市科技中长期规划突出贡献奖、中国科学院优秀导师奖、中国科学院朱李月华优秀教师等奖励，国家科技进步一等奖，中国科学院杰出科技成就奖，上海市科技进步一等奖，2007年当选中国人民政治协商会议上海市第十一届委员会委员。