因為有了他，中國在存儲器領域開始走在了世界前列
一、中國版
《王者歸來》
由紐西蘭導演彼得·傑克遜導演的奧斯卡金像獎獲獎影片《指環王：王者歸來》，講述了這樣一個故事：為了完成摧毀魔戒的使命，佛羅多與山姆、咕嚕繼續前往末日火山，他將考驗自己的忠誠及人性中所有的堅強與軟弱；同時，甘道夫、亞拉岡、萊格拉斯、金靂也正積極對抗索倫的攻擊，合力捍衛中土世界；剛鐸首都米那斯提力斯危在旦夕，亞拉岡拾起王者之劍，並在帕蘭諾平原展開一場浴血戰役；儘管旅程中不斷面臨重重危機與挑戰，遠征隊還是奮力迎向最光榮的魔戒聖戰…….電影中的最後一句台詞——「我回來了。」王者歸來了！
我把這部電影同一位存儲器同行大師聯繫起來，故事是這樣：為了完成存儲器的歷史使命，大師在黃浦江邊帶領一支上百人的遠征軍（上海微系統所＋中芯國際團隊），繼續前往世界領先的高地，他將考驗中國人的耐力和決心；同時，也有另一隻隊伍從長江中游出發（華科大＋武漢新芯團隊），積極對抗美日韓的攻擊，合力捍衛中方世界存儲之都；存儲之都面臨中外博弈，大師拾起王者之劍，率先展開遠征作戰，儘管旅途中不斷面臨重重危機與挑戰，遠征隊最終還是奮力走向世界存儲晶元高地……「我回來了。」存儲器之「王者歸來」了！
在最近的一次全球存儲器半導體峰會論壇上，筆者非常榮幸地認識了這位被稱為存儲器晶元之「王者歸來」故事的主角，來自中科院上海微系統與信息技術研究所的宋志棠博士。說起來這位西安交通大學的校友還是我們同級校友劉純亮的碩士研究生，給初次見面的我們又增進了些許親切感。
二、王者利器：存儲器
存儲器晶元作為三大集成電路基礎類通用晶元（其他兩種是CPU和FPGA）之一，在集成電路市場份額中佔比是最大的，2017年達到了1300億美元，超過集成電路總份額1／4的比例。原來在世界半導體版圖中最強的是英特爾，2017年三星由於存儲器出貨量猛增，存儲器收入增加200億美元，使得三星超過英特爾一躍成為全球第一半導體大廠。
2017年全球半導體產業收入增長了22.2%，主要增長動力也是來自存儲器市場需求的旺盛。所以我們可以看到存儲器比較強的幾家公司，集成電路整體收入都走在了前列：三星超英特爾排名第一，同比增長52.6%，SK海力士同比增長79%，美光同比增長78.1%，東芝增長29.2%。
隨著存儲器應用越來越廣泛，像大數據中心、企業存儲、大容量（海量）存儲器等，對存儲器的要求會越來越高。
三、我國存儲器產業布局
中國是一個存儲器消費大國，每年消耗存儲器2800多億（元），消耗了存儲器市場的51.4％。在這種情況下，英特爾、三星和海力士都加大了在中國存儲器產業的投入。我國從安全考慮也開始了存儲器產業的布局。以武漢長江存儲為標誌，存儲晶元已成為近年來我國半導體投資的一個新熱點。
2017年我國基本形成了紫光長江存儲、福建晉江和合肥長鑫三大存儲器基地布局：紫光長江存儲以武漢為基地，預計2018年底正式投產32層堆棧的64Gb 3D NAND快閃記憶體；福建晉華集團聯合台聯電在晉江建設DRAM晶圓廠，合肥長鑫聯手兆易創新，研發生產19納米的DRAM內存。前不久的7月16日，長鑫存儲宣布DRAM項目正式投片，啟動試產8Gb DDR4工程樣品，這標誌著第一個中國自主研發的DRAM晶元即將問世。
在Flash和DRAM存儲器方面，主導的還是國際幾個存儲器大廠：三星、海力士及美光等，我們的戰略還是追隨和趕超。但在存儲器的另一條戰線上，我們國內的研究和成果毫不遜色，這就是以相變存儲器為代表的新介質新材料存儲器研究。甚至可以不誇張地說，在相變存儲器材料和器件領域，我們開始走在了世界前列。
四、我國相變存儲器研究現狀
目前，我國在新介質新材料存儲器晶元研究方面，經過十幾年的培育和發展，形成了兩隻骨幹隊伍。一個是華科大聯合武漢新芯，另一個是中科院上海微系統和信息技術研究所聯合中芯國際，這些產學研結合的創新帶來了存儲器新材料和新器件研究的豐碩成果，他們對以相變存儲功能材料為介質的存儲器基礎研究可以說是與世界同步，甚至有些還走在了世界前列。除了基礎研究，在產業化方面以宋志棠為首的中科院團隊也「小試牛刀」，他們聯手中芯國際打造了8－12吋PCRAM專用技術平台，並在該平台上研發出了用於印表機的相變存儲器130納米工藝晶元並實現量產，已連續供貨1500多萬片。目前，宋志棠的團隊正在研發12英寸40納米相變存儲器工藝，目標針對物聯網應用和下一代5G通訊等領域。
相變存儲器 (PCRAM) 具有微縮性好、可三維集成、擦寫速度快、與新型COMS工藝相兼容等優點，正以變革計算機框架的存儲型內存(Storage Class Memory) 角色進入主流存儲器市場。但在相變存儲器的快速可逆相變機理仍未有共識，宋志棠博士帶領團隊開展了八面體相變基元以及FCC亞穩態理論下的新型相變材料研究，找到了納秒級可逆相變的理論實質。並率先在全國建立了第一台300KV雙球差矯正、解析度80pm的信息功能材料微結構表徵平台，和高解析度、近常壓光電子能譜分析平台。
宋志棠博士在研究國際先進相變機理的基礎上，自主研發了Ti-Sb-Te與Sc-Sb-Te相變材料, 提出八面體原子基元理論。這個新材料對相變存儲最大的貢獻是解決了PCM的寫速度慢的短板問題。並以《發現世界最快Sc-Sb-Te單項相變材料》為題在國際權威雜誌「Science」上發表，引起了業界的轟動。
美國媒體以這樣的標題報道「相變存儲技術的新發現預示著下一代存儲器的到來」。IBM科學家SangBum Kim以「快速晶化合金加速相變存儲器」為題認為：「寫速度的巨大提升立刻讓相變存儲器成為未來存儲器的領跑者」。美國物理學會旗艦刊物Physics Today（《今日物理》）在其網站以「相變存儲器達到極快速度」為題報道本論文研究進展，並認為本研究「為下一代計算器件的誕生掃除了一大障礙」。
一個本土中國團隊能取得國際同行精英的高度認可，宋志棠和他的團隊在新材料基礎研究方面默默走過了15個年。看看這些年的成績單吧，從2011年到2016年，中國專利數量超過500項，全國第一。項目負責人2011年-2016年共申請、授權專利236項，包括13項國際專利。2011年到2016年，項目負責人在PCRAM領域發表SCI論文300餘篇，包括Science、Nature Communications、Advanced Materials、Nano Research、Nanoscale等權威雜誌，是國際上該領域發表論文最多的研究者。
宋博士對我們說，「這些嵌入式存儲器專利布局使中國有望在此領域佔領市場制高點，解決我國新型存儲器開發多年來只注重基礎研究、成果難以工程化的瓶頸，為我國產業化的跨越式發展探索一條新的路子來。」
五、相變存儲器：下一代的存儲器
相變存儲器PCM（Phase Change Memory，也有簡寫為PCRAM）是利用電脈衝誘導相變材料在高阻的非晶態與低阻的晶態之間進行可逆轉變，實現信息的寫入和擦除，通過電阻變化實現數據讀出的一種新型存儲器。
目前主流的半導體存儲器主要有兩類，一類如電腦內存，雖然讀寫速度快，但容量小、價格高、掉電易丟失數據；另一類如固態硬碟，優缺點正好相反。相變存儲器正好是一種集兩者優點於一身的新型存儲器。
相變存儲器與Flash和DRAM存儲器相比，具有如下優點：
1.低延遲，讀寫時間均衡：與NAND Flash相比，PCM在寫入新代碼之前不需要擦除原來代碼和數據，故其讀寫速度較NAND Flash有優勢，讀寫時間較均衡。
2.壽命長：PCM讀寫是非破壞性的，故其耐寫能力遠超Flash。
3.功耗低：PCM沒有機械轉動裝置，保存代碼或數據不需要刷新電流，故功耗比HDD、NAND、DRAM都低。
4.密度高：部分PCM採用非晶體管設計，可實現高密度存儲。
5.抗輻照性能好：PCM存儲與帶電粒子材料狀態無關，故有很強的抗空間輻射能力，可滿足航天和國防需求。
簡言之，相變存儲器因其具有非揮發性、循環壽命長、寫入速度快、穩定性好、功耗低和可嵌入功能強等優點，特別是在器件特徵尺寸微縮方面具有突出優勢，被業界認為是下一代非揮發性存儲技術的最佳解決方案之一，也是科學家們預測的最先有可能實現產業化的新型存儲器。
六、3D Xpoint：相變存儲器的新機遇
3D Xpoint是英特爾和美光在2015年聯手發明的一項新的存儲技術。由於是NAND快閃記憶體問世以來出現的新型存儲技術，立刻引起了業界的轟動。但是關於3D Xpoint究竟是不是相變存儲器，業界還有爭論。但從目前已掌握的科學數據來看，它本質上就是相變存儲器。雖然作為發明者的英特爾和美光不承認3D Xpoint是相變存儲器。
專家們都把3D Xpoint看作是PCM的一個新機遇，英特爾認為，「這是自1989年年NAND問世以來，時隔25年取得的新突破」，在20納米實現的3D Xpoint，推動其發展的核心動力是發現高速、低功耗、長壽命新型相變材料。這一技術可用於未來潛力巨大的海量存儲器。
三星已經用20納米工藝實現了3D PCM的擦、寫速度10、60納米，海力士用As-SiO2做選通管實現了3維集成。從應用層面來看，3D PCM可以填補在非揮發、速度和訪問延遲之間的一個缺口，吃掉部分3D NAND，替代部分DRAM，市場潛力十分巨大。
英特爾預計2020年數據中心的市場規模可達340億美元，其中3D Xpoint有80億美元的需求，佔有率達23.5%。
七、相變存儲器的應用切入點
PCRAM在電子產品中的潛在應用領域有：硬碟（從Flash+DRAM到PCRAM SSD），以及物聯網、移動終端、智能家電、智能辦公等等。Flash依靠的是快速讀出速度、容量和價格推動產品升級換代，但其毫秒級的擦寫速度、高操作電壓及嵌入式與新型CMOS技術不兼容，這些都制約了Flash的進一步發展。與Flash比較，PCRAM的高速讀、寫和擦，與新型CMOS工藝兼容，容易實現高密度結構。
宋志棠博士認為，PCM相變存儲器可從以下幾個方面作為應用切入點：Kb級嵌入式非易失存儲—低功耗微控制器、代碼存儲和掉電保存；Mb級—嵌入式或獨立式非易失存儲、嵌入式設備數據存儲及緩衝；Gb級—獨立式高性能非易失存儲、FLASH存儲設備數據緩衝、高性能計算存儲；Tb級—獨立式大容量非易失存儲、低功耗數據中心。
目前宋志棠團隊的大型資料庫的高密度存儲嵌入式應用已經取得突破，在大容量上有原創性成果。嵌入式PCM 28納米採用高K Metal Gate新型CMOS技術，滿足高速讀、寫、擦性能的存儲器市場；大容量取決於高驅動能力和能三維集成的二極體技術。
八、相變存儲器：中國芯的突破口
發展自主的信息功能材料用於集成電路製造是國家戰略發展的迫切需求，特別是中興事件後，這一需求顯得尤為迫切。
《國際半導體發展路線圖》（ITRS）指出，從2010年開始，非傳統半導體材料陸續進入晶元製造領域：PCRAM，MRAM，SFQ，CNT，Graphene……等，到2017年左右，傳統半導體技術發展將逼近物理極限（20納米、14納米、10納米、7納米、5納米）,半導體技術發展路線圖將終結。到2020年，器件將達到熱極限，半導體材料將進入量子材料，量子計算和拓撲量子計算將佔半導體材料的主流。
目前在材料行業有三個值得注意的發展趨勢：（一）用於晶元製造的功能材料數量逐年增多；（二）功能材料對晶元性能的提升，在10納米工藝節點貢獻率超過60％；（三）大矽片以及SOI材料正在成為集成電路襯底與技術發展基石。從這些趨勢我們可以充分看到宋志棠團隊的研究方向在集成電路製造中的作用是何等重要，其作用會越來越大。
萬丈高樓平地起。我們希望國內有越來越多的像宋志棠這樣的團隊潛心於基礎研發不動搖，只有根基扎得深，大樹才能枝繁葉茂。只有堅持研發，我們天天喊的「中國芯」才能真正做到「王者歸來」為我所用。
宋志棠博士簡歷
宋志棠，研究員，博士生導師。1997年畢業於西安交通大學電子材料與器件研究所，獲工學博士學位。現任信息功能材料國家重點實驗室主任，上海市納電子材料與器件優秀學科帶頭人，國內PCRAM材料與器件研究的開創者。
研究方向為相變存儲材料與器件、納米拋光液。創建了上海微系統所納電子材料與器件學科。與產業結合，率先在國內開展相變存儲器（PCRAM）的研發，培養與組建了100人產、學、研緊密結合、高水平的研發隊伍。是國家集成電路重大專項（02專項）PCRAM項目和973（A類）項目的首席科學家與項目負責人，同時承擔國家先導、863、國際重大合作以及上海市重大等項目50餘項。申請國家與國際發明專利400餘項、在Nature Communications , Nanoscale, Scientific Reports 等國內外知名SCI刊物上發表論文200餘篇，撰有《相變存儲器》和《相變存儲器與應用基礎》專著兩本。與中芯國際和Microchip聯合組建有一支150餘人的產學研隊伍，建立起12英寸PCRAM專用技術平台，開發出我國第一款PCRAM晶元，在中國首次將PCRAM晶元推向量產。
先後榮獲「新世紀百千萬人才工程」國家級人選、上海市領軍人才、國務院特殊津貼、上海市優秀學科帶頭人、上海市科技中長期規劃突出貢獻獎、中國科學院優秀導師獎、中國科學院朱李月華優秀教師等獎勵，國家科技進步一等獎，中國科學院傑出科技成就獎，上海市科技進步一等獎，2007年當選中國人民政治協商會議上海市第十一屆委員會委員。
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