復旦大學開創第三類存儲技術原型，或成為中國內存產業困局突破？

半導體技術可以說是所有的技術之母，沒有半導體技術，那麼目前流行的AI、雲計算、數據中心也無法成立，因此，半導體技術的發展一直以來都是中國發展科技產業的重要關鍵。目前中國在 IC 設計與製造等方面已經培養出不少具備堅強實力的廠商，比如說設計方面有海思、展訊，代工製造有中芯，而封測也有江蘇長電與南通等。

但半導體產業的另一個關鍵環節，也就是存儲，此一領域技術長期把持在某些特定美系與日系廠商手中，相較於其他領域，中國半導體廠商在存儲技術領域的發展顯得艱辛許多。

目前主流存儲技術幾乎都掌握在國際大廠的手中，也因此，中國在發展自有半導體存儲技術時，一方面因為專利和關鍵技術受制於人，且相關技術人才極為缺乏，以致難有突破；另一方面由於起步晚，當國際大廠都已經進入更先進世代產品的製造時，中國廠商仍然在量產掙扎。即便成功量產，也註定很難真正與國際大廠進行競爭。

過去中國憑藉著市場優勢，吸納國際大廠的技術與人才，並化為己用，但當國際廠商開始警覺這個龐大的市場已經反客為主，以過去從自己身上吸納的技術來對付自己之後，技術和人才的轉移門檻也越來越高。而近年來中國併購國際科技大廠幾乎都告失敗，也是因為這個原因。

在此情況下，中國的內存技術發展就需要反求諸己，開創新的道路，而非僅止於複製別人的成果。

最近，復旦大學所研發的存儲架構正為中國半導體存儲帶來一線光明，該存儲結構基於電荷技術，其基礎結構論文定名為用」基於范德瓦爾斯異構結構的半浮柵(SFG)准非易失性應用存儲器」(A semi-floating gate memory based on van der Waals heterostructures for quasi-non-volatile applications)，並且發表在自然納米技術期刊上，引起了相當大的關注。

DT 君認為，若此技術能持續發展，或許能成為中國半導體儲存產業未來的突破口，作為抵抗國際大廠獨佔相關半導體存儲技術的重要武器之一。

舊世代半導體存儲技術壁壘分明，需另闢蹊徑

目前半導體存儲技術分成兩種，分別是以 DRAM 為主的易失性架構，以及以 NAND 為主的非易失性架構，二者在國際市場都有數十年的發展時間，技術都已經相當成熟，且都要往 3D 立體堆棧的方向來增加存儲密度，在缺乏技術積累的情況之下，中國半導體存儲技術發展至今，不僅具備了基本的量產技術，也開始往立體堆棧的方向前進，在毫無技術根基的情況之下能有這樣的進展，其實已經相當不錯。

然而 DRAM 或 NAND 這些舊世代技術發展已經相當悠久，幾乎所有專利都掌握在國外廠商的手中，中國要量產自用可能沒有太大的問題，但如果要往世界營銷，那隨之而來的專利爭議恐怕才是最大的隱憂。

那麼，或許走不同的路才是最好的選擇？

其實主要半導體存儲大廠都已經在發展各自的次世代內存技術，包含磁阻式內存( Magnetoresistive Random Access Memory : MRAM ) 、相變內存( Phase Change Random Access Memory : PCRAM ) 以及電阻式內存.(Resistive Random access Memory, RRAM ) 等三大類，相較起傳統半導體存儲技術，這些新的架構都往融合目前易失性的存取效能與非易失性內存技術的非揮發存儲特性為方向，雖然這些技術的提出都已經有十幾年的歷史，但截至目前為止，都還是在相當早期的階段，除了英特爾把 PCRAM 成功量產，定名為 XPoint 內存之外，其他技術的商用化都還遙遙無期。

但即便是XPoint內存，還只是針對高端冷門的應用，而非一般消費市場。這些次世代內存技術之所以沒有辦法快速發展普及，除了技術本身具有一定難度以外，最重要的是主要半導體存儲大廠都背負了既有技術架構的包袱，無法輕易捨棄現有的架構，轉而投入新架構。

而身為內存消費量最大的市場之一，中國過去在傳統半導體內存技術並沒有太大的積累，雖導致話語權掌握在外商手中，但身上沒有太多包袱、也許能成為推動中國化身次世代半導體存儲技術商用領航者有利條件。

復旦成果：更具彈性的二合一半導體存儲架構

半浮柵( SFG )存儲器與前面提到的次世代內存具備類似的讀寫特性，結構類似於典型的場效應晶體管，只是半浮柵晶體管可以「記憶」來自柵極的施加電壓。研究人員已經表明，他們製造的 2D 半浮柵存儲器的刷新時間(10 納秒) 比 DRAM ( 64 毫秒)快了 156 倍，由於操作時間極短，可相當程度節省功耗，並且在納秒時間尺度(15 納秒)上實現了超高速寫入操作，與 DRAM 相當(10 納秒)。 這款新器件的寫入操作性能也比基於2D材質的其他存儲器提高了上百倍。

這些刷新時間和寫入操作的改進表明，准非易失性存儲器有可能彌合易失性和非易失性存儲器技術之間的差距，並降低頻繁刷新操作所需的功耗，從而實現高速和低速功率隨機存取存儲器的設計。

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圖. 用於准非易失應用的范德瓦爾斯結構半浮柵存儲

除了以上極佳的讀寫與功耗特性外，該技術更實現了可按需定製(10秒-10年)的可調控數據准非易失特性。

這種全新特性不僅在高速內存中可以極大降低存儲功耗，同時還可以實現數據有效期截止後自然消失，在特殊應用場景解決了保密性和傳輸的矛盾。這種可調控數據准非易失特性，是相較於其他三種次世代內存技術的最大不同點。

在過去的20年里，半導體器件一直都遵循摩爾定律所帶來的挑戰 ，工程人員知道隨著這些器件的尺寸縮小，MOSFET的柵極越來越難以阻止電子的流動，當電子亂跑，半導體器件就會發生不可預期的計算錯誤，以及難以解決的廢熱問題。過去一般都通過使用新型材料來解決這些問題，而有些人對於通過新材料的導入來讓半導體器件挑戰1納米的柵極尺寸抱持樂觀的想法。

但實際上，即便具備了新材料，要超過5納米的限制仍然是極大的工程挑戰，此時電子開始將產生隧穿效應，貫穿柵極材料，導致效率與功耗的問題。

但未來可能要換個方向，若反向利用電子隧穿效應來發展出更好的計算架構，那麼摩爾定律會許有機會在未來數十年的時間繼續延續下去？否則未來半導體晶元在工藝方面的發展可能真的會在未來數年停止。

但半浮柵架構將電子隧穿從缺點轉為優勢。通過半浮柵設計，包括將正摻雜浮柵耦合到負摻雜漏極區域的隧穿場效應晶體管，存儲在半浮柵上的電荷則是用於切換晶體管開關的電壓閾值，通過以上措施很好的利用了電子隧穿效應，從而加速其工作並降低功耗。

在目前的試驗平台上，研究人員在其器件結構上使用了包括由二維材料二硒化鎢製成的通道；二維半導體二硫化鉬（MoS2）與絕緣體六方氮化硼的組合用作半阻擋層；二硫化鉬和二硒化鎢之間的異質結充當p-n結開關。通過二維過度金屬材料二硫化鉬的應用，創造出一種原子級薄度的半導體，它的電導率（conductivity）可以被精細的調整，進而形成具有高開關電流比的內存基礎組件。

仍有困難，但同樣有望為中國創造機會

目前廣泛使用的半導體工藝要支持量產此技術必須要有相當大幅度的調整，這對於其規模化量產會是個相當大的挑戰，而且其與目前計算架構的匹配也是問題之一，但這些並不是不能突破的問題。

只要考慮到未來能否掌握半導體存儲技術的話語權，以及其對產業可能產生的影響，那麼就會知道這是個極為關鍵的技術，未來甚至將激起下一波內存技術軍備競賽，因為傳統 DRAM、NAND 存儲技術已經沒有太多空間可以進入，即便實現量產，最終仍要受制於人。

既然如此，那麼何不放眼未來，投資目前才剛起步的次世代存儲架構，就如中國在數年前之前就已積極投入5G通信架構技術的積極卡位，爭取具有全球制高點的話語權，對於中國產業科技自主而言才是正確的方向。

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