一,、中國(guó)版《王者歸來(lái)》
由新西蘭導(dǎo)演彼得·杰克遜導(dǎo)演的奧斯卡金像獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)影片《指環(huán)王：王者歸來(lái)》,，講述了這樣一個(gè)故事：為了完成摧毀魔戒的使命，佛羅多與山姆,、咕嚕繼續(xù)前往末日火山,，他將考驗(yàn)自己的忠誠(chéng)及人性中所有的堅(jiān)強(qiáng)與軟弱；同時(shí),，甘道夫,、亞拉岡、萊格拉斯,、金靂也正積極對(duì)抗索倫的攻擊,，合力捍衛(wèi)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,，并在帕蘭諾平原展開(kāi)一場(chǎng)浴血戰(zhàn)役；盡管旅程中不斷面臨重重危機(jī)與挑戰(zhàn),，遠(yuǎn)征隊(duì)還是奮力迎向最光榮的魔戒圣戰(zhàn)…….電影中的最后一句臺(tái)詞——“我回來(lái)了,。”王者歸來(lái)了,！
我把這部電影同一位存儲(chǔ)器同行大師聯(lián)系起來(lái),，故事是這樣：為了完成存儲(chǔ)器的歷史使命，大師在黃浦江邊帶領(lǐng)一支上百人的遠(yuǎn)征軍（上海微系統(tǒng)所＋中芯國(guó)際團(tuán)隊(duì)）,，繼續(xù)前往世界領(lǐng)先的高地,，他將考驗(yàn)中國(guó)人的耐力和決心,；同時(shí)，也有另一只隊(duì)伍從長(zhǎng)江中游出發(fā)（華科大＋武漢新芯團(tuán)隊(duì)）,，積極對(duì)抗美日韓的攻擊,，合力捍衛(wèi)中方世界存儲(chǔ)之都；存儲(chǔ)之都面臨中外博弈,，大師拾起王者之劍,，率先展開(kāi)遠(yuǎn)征作戰(zhàn)，盡管旅途中不斷面臨重重危機(jī)與挑戰(zhàn),，遠(yuǎn)征隊(duì)最終還是奮力走向世界存儲(chǔ)芯片高地……“我回來(lái)了,。”存儲(chǔ)器之“王者歸來(lái)”了,！
在最近的一次全球存儲(chǔ)器半導(dǎo)體峰會(huì)論壇上,，筆者非常榮幸地認(rèn)識(shí)了這位被稱(chēng)為存儲(chǔ)器芯片之“王者歸來(lái)”故事的主角，來(lái)自中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的宋志棠博士,。說(shuō)起來(lái)這位西安交通大學(xué)的校友還是我們同級(jí)校友劉純亮的碩士研究生,，給初次見(jiàn)面的我們又增進(jìn)了些許親切感。
二,、王者利器：存儲(chǔ)器
存儲(chǔ)器芯片作為三大集成電路基礎(chǔ)類(lèi)通用芯片（其他兩種是CPU和FPGA）之一,，在集成電路市場(chǎng)份額中占比是最大的，2017年達(dá)到了1300億美元,，超過(guò)集成電路總份額1／4的比例,。原來(lái)在世界半導(dǎo)體版圖中最強(qiáng)的是英特爾，2017年三星由于存儲(chǔ)器出貨量猛增,，存儲(chǔ)器收入增加200億美元,，使得三星超過(guò)英特爾一躍成為全球第一半導(dǎo)體大廠。
2017年全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)收入增長(zhǎng)了22.2%,，主要增長(zhǎng)動(dòng)力也是來(lái)自存儲(chǔ)器市場(chǎng)需求的旺盛,。所以我們可以看到存儲(chǔ)器比較強(qiáng)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(zhǎng)52.6%,，SK海力士同比增長(zhǎng)79%，美光同比增長(zhǎng)78.1%,，東芝增長(zhǎng)29.2%,。
隨著存儲(chǔ)器應(yīng)用越來(lái)越廣泛，像大數(shù)據(jù)中心,、企業(yè)存儲(chǔ),、大容量（海量）存儲(chǔ)器等，對(duì)存儲(chǔ)器的要求會(huì)越來(lái)越高。
三,、我國(guó)存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)布局
中國(guó)是一個(gè)存儲(chǔ)器消費(fèi)大國(guó),，每年消耗存儲(chǔ)器2800多億（元），消耗了存儲(chǔ)器市場(chǎng)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(guó)存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)的投入,。我國(guó)從安全考慮也開(kāi)始了存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)的布局,。以武漢長(zhǎng)江存儲(chǔ)為標(biāo)志，存儲(chǔ)芯片已成為近年來(lái)我國(guó)半導(dǎo)體投資的一個(gè)新熱點(diǎn),。
2017年我國(guó)基本形成了紫光長(zhǎng)江存儲(chǔ)、福建晉江和合肥長(zhǎng)鑫三大存儲(chǔ)器基地布局：紫光長(zhǎng)江存儲(chǔ)以武漢為基地,，預(yù)計(jì)2018年底正式投產(chǎn)32層堆棧的64Gb 3D NAND閃存,；福建晉華集團(tuán)聯(lián)合臺(tái)聯(lián)電在晉江建設(shè)DRAM晶圓廠，合肥長(zhǎng)鑫聯(lián)手兆易創(chuàng)新,，研發(fā)生產(chǎn)19納米的DRAM內(nèi)存,。前不久的7月16日,，長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)宣布DRAM項(xiàng)目正式投片,，啟動(dòng)試產(chǎn)8Gb DDR4工程樣品，這標(biāo)志著第一個(gè)中國(guó)自主研發(fā)的DRAM芯片即將問(wèn)世,。
在Flash和DRAM存儲(chǔ)器方面,，主導(dǎo)的還是國(guó)際幾個(gè)存儲(chǔ)器大廠：三星,、海力士及美光等，我們的戰(zhàn)略還是追隨和趕超,。但在存儲(chǔ)器的另一條戰(zhàn)線上,，我們國(guó)內(nèi)的研究和成果毫不遜色，這就是以相變存儲(chǔ)器為代表的新介質(zhì)新材料存儲(chǔ)器研究,。甚至可以不夸張地說(shuō),，在相變存儲(chǔ)器材料和器件領(lǐng)域，我們開(kāi)始走在了世界前列,。
四,、我國(guó)相變存儲(chǔ)器研究現(xiàn)狀
目前，我國(guó)在新介質(zhì)新材料存儲(chǔ)器芯片研究方面,，經(jīng)過(guò)十幾年的培育和發(fā)展,，形成了兩只骨干隊(duì)伍。一個(gè)是華科大聯(lián)合武漢新芯,，另一個(gè)是中科院上海微系統(tǒng)和信息技術(shù)研究所聯(lián)合中芯國(guó)際,，這些產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的創(chuàng)新帶來(lái)了存儲(chǔ)器新材料和新器件研究的豐碩成果，他們對(duì)以相變存儲(chǔ)功能材料為介質(zhì)的存儲(chǔ)器基礎(chǔ)研究可以說(shuō)是與世界同步，甚至有些還走在了世界前列,。除了基礎(chǔ)研究,，在產(chǎn)業(yè)化方面以宋志棠為首的中科院團(tuán)隊(duì)也“小試牛刀”，他們聯(lián)手中芯國(guó)際打造了8－12吋PCRAM專(zhuān)用技術(shù)平臺(tái),，并在該平臺(tái)上研發(fā)出了用于打印機(jī)的相變存儲(chǔ)器130納米工藝芯片并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),，已連續(xù)供貨1500多萬(wàn)片。目前,，宋志棠的團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)12英寸40納米相變存儲(chǔ)器工藝,，目標(biāo)針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和下一代5G通訊等領(lǐng)域。
相變存儲(chǔ)器 (PCRAM) 具有微縮性好,、可三維集成,、擦寫(xiě)速度快、與新型COMS工藝相兼容等優(yōu)點(diǎn),，正以變革計(jì)算機(jī)框架的存儲(chǔ)型內(nèi)存(Storage Class Memory) 角色進(jìn)入主流存儲(chǔ)器市場(chǎng),。但在相變存儲(chǔ)器的快速可逆相變機(jī)理仍未有共識(shí)，宋志棠博士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了八面體相變基元以及FCC亞穩(wěn)態(tài)理論下的新型相變材料研究,，找到了納秒級(jí)可逆相變的理論實(shí)質(zhì),。并率先在全國(guó)建立了第一臺(tái)300KV雙球差矯正、分辨率80pm的信息功能材料微結(jié)構(gòu)表征平臺(tái),，和高分辨率,、近常壓光電子能譜分析平臺(tái)。
宋志棠博士在研究國(guó)際先進(jìn)相變機(jī)理的基礎(chǔ)上,，自主研發(fā)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(gè)新材料對(duì)相變存儲(chǔ)最大的貢獻(xiàn)是解決了PCM的寫(xiě)速度慢的短板問(wèn)題。并以《發(fā)現(xiàn)世界最快Sc-Sb-Te單項(xiàng)相變材料》為題在國(guó)際權(quán)威雜志“Science”上發(fā)表,，引起了業(yè)界的轟動(dòng),。
美國(guó)媒體以這樣的標(biāo)題報(bào)道“相變存儲(chǔ)技術(shù)的新發(fā)現(xiàn)預(yù)示著下一代存儲(chǔ)器的到來(lái)”。IBM科學(xué)家SangBum Kim以“快速晶化合金加速相變存儲(chǔ)器”為題認(rèn)為：“寫(xiě)速度的巨大提升立刻讓相變存儲(chǔ)器成為未來(lái)存儲(chǔ)器的領(lǐng)跑者”,。美國(guó)物理學(xué)會(huì)旗艦刊物Physics Today（《今日物理》）在其網(wǎng)站以“相變存儲(chǔ)器達(dá)到極快速度”為題報(bào)道本論文研究進(jìn)展,，并認(rèn)為本研究“為下一代計(jì)算器件的誕生掃除了一大障礙”。
一個(gè)本土中國(guó)團(tuán)隊(duì)能取得國(guó)際同行精英的高度認(rèn)可,，宋志棠和他的團(tuán)隊(duì)在新材料基礎(chǔ)研究方面默默走過(guò)了15個(gè)年,。看看這些年的成績(jī)單吧,，從2011年到2016年,，中國(guó)專(zhuān)利數(shù)量超過(guò)500項(xiàng)，全國(guó)第一,。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人2011年-2016年共申請(qǐng),、授權(quán)專(zhuān)利236項(xiàng),，包括13項(xiàng)國(guó)際專(zhuān)利。2011年到2016年,，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人在PCRAM領(lǐng)域發(fā)表SCI論文300余篇,，包括Science、Nature Communications,、Advanced Materials,、Nano Research、Nanoscale等權(quán)威雜志,，是國(guó)際上該領(lǐng)域發(fā)表論文最多的研究者,。
宋博士對(duì)我們說(shuō)，“這些嵌入式存儲(chǔ)器專(zhuān)利布局使中國(guó)有望在此領(lǐng)域占領(lǐng)市場(chǎng)制高點(diǎn),，解決我國(guó)新型存儲(chǔ)器開(kāi)發(fā)多年來(lái)只注重基礎(chǔ)研究,、成果難以工程化的瓶頸，為我國(guó)產(chǎn)業(yè)化的跨越式發(fā)展探索一條新的路子來(lái),?！?/p>
五、相變存儲(chǔ)器：下一代的存儲(chǔ)器
相變存儲(chǔ)器PCM（Phase Change Memory,，也有簡(jiǎn)寫(xiě)為PCRAM）是利用電脈沖誘導(dǎo)相變材料在高阻的非晶態(tài)與低阻的晶態(tài)之間進(jìn)行可逆轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)信息的寫(xiě)入和擦除,，通過(guò)電阻變化實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀出的一種新型存儲(chǔ)器,。
目前主流的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器主要有兩類(lèi)，一類(lèi)如電腦內(nèi)存,，雖然讀寫(xiě)速度快,，但容量小、價(jià)格高,、掉電易丟失數(shù)據(jù),；另一類(lèi)如固態(tài)硬盤(pán)，優(yōu)缺點(diǎn)正好相反,。相變存儲(chǔ)器正好是一種集兩者優(yōu)點(diǎn)于一身的新型存儲(chǔ)器,。
相變存儲(chǔ)器與Flash和DRAM存儲(chǔ)器相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：
1.低延遲,，讀寫(xiě)時(shí)間均衡：與NAND Flash相比,，PCM在寫(xiě)入新代碼之前不需要擦除原來(lái)代碼和數(shù)據(jù)，故其讀寫(xiě)速度較NAND Flash有優(yōu)勢(shì),，讀寫(xiě)時(shí)間較均衡,。
2.壽命長(zhǎng)：PCM讀寫(xiě)是非破壞性的，故其耐寫(xiě)能力遠(yuǎn)超F(xiàn)lash,。
3.功耗低：PCM沒(méi)有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)裝置,，保存代碼或數(shù)據(jù)不需要刷新電流，故功耗比HDD、NAND,、DRAM都低,。
4.密度高：部分PCM采用非晶體管設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ),。
5.抗輻照性能好：PCM存儲(chǔ)與帶電粒子材料狀態(tài)無(wú)關(guān),，故有很強(qiáng)的抗空間輻射能力，可滿(mǎn)足航天和國(guó)防需求,。
簡(jiǎn)言之,，相變存儲(chǔ)器因其具有非揮發(fā)性、循環(huán)壽命長(zhǎng),、寫(xiě)入速度快,、穩(wěn)定性好、功耗低和可嵌入功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),，特別是在器件特征尺寸微縮方面具有突出優(yōu)勢(shì),，被業(yè)界認(rèn)為是下一代非揮發(fā)性存儲(chǔ)技術(shù)的最佳解決方案之一，也是科學(xué)家們預(yù)測(cè)的最先有可能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的新型存儲(chǔ)器,。
六,、3D Xpoint：相變存儲(chǔ)器的新機(jī)遇
3D Xpoint是英特爾和美光在2015年聯(lián)手發(fā)明的一項(xiàng)新的存儲(chǔ)技術(shù)。由于是NAND閃存問(wèn)世以來(lái)出現(xiàn)的新型存儲(chǔ)技術(shù),，立刻引起了業(yè)界的轟動(dòng),。但是關(guān)于3D Xpoint究竟是不是相變存儲(chǔ)器，業(yè)界還有爭(zhēng)論,。但從目前已掌握的科學(xué)數(shù)據(jù)來(lái)看,，它本質(zhì)上就是相變存儲(chǔ)器。雖然作為發(fā)明者的英特爾和美光不承認(rèn)3D Xpoint是相變存儲(chǔ)器,。
專(zhuān)家們都把3D Xpoint看作是PCM的一個(gè)新機(jī)遇,，英特爾認(rèn)
為，“這是自1989年年NAND問(wèn)世以來(lái),，時(shí)隔25年取得的新突破”,，在20納米實(shí)現(xiàn)的3D Xpoint，推動(dòng)其發(fā)展的核心動(dòng)力是發(fā)現(xiàn)高速,、低功耗,、長(zhǎng)壽命新型相變材料。這一技術(shù)可用于未來(lái)潛力巨大的海量存儲(chǔ)器,。
三星已經(jīng)用20納米工藝實(shí)現(xiàn)了3D PCM的擦,、寫(xiě)速度10、60納米,，海力士用As-SiO2做選通管實(shí)現(xiàn)了3維集成,。從應(yīng)用層面來(lái)看,，3D PCM可以填補(bǔ)在非揮發(fā)、速度和訪問(wèn)延遲之間的一個(gè)缺口,，吃掉部分3D NAND,，替代部分DRAM，市場(chǎng)潛力十分巨大,。
英特爾預(yù)計(jì)2020年數(shù)據(jù)中心的市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)340億美元，其中3D Xpoint有80億美元的需求,，占有率達(dá)23.5%,。
七、相變存儲(chǔ)器的應(yīng)用切入點(diǎn)
PCRAM在電子產(chǎn)品中的潛在應(yīng)用領(lǐng)域有：硬盤(pán)（從Flash+DRAM到PCRAM SSD）,，以及物聯(lián)網(wǎng),、移動(dòng)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(jià)格推動(dòng)產(chǎn)品升級(jí)換代,，但其毫秒級(jí)的擦寫(xiě)速度,、高操作電壓及嵌入式與新型CMOS技術(shù)不兼容，這些都制約了Flash的進(jìn)一步發(fā)展,。與Flash比較,，PCRAM的高速讀、寫(xiě)和擦,，與新型CMOS工藝兼容,，容易實(shí)現(xiàn)高密度結(jié)構(gòu),。
宋志棠博士認(rèn)為,，PCM相變存儲(chǔ)器可從以下幾個(gè)方面作為應(yīng)用切入點(diǎn)：Kb級(jí)嵌入式非易失存儲(chǔ)—低功耗微控制器、代碼存儲(chǔ)和掉電保存,；Mb級(jí)—嵌入式或獨(dú)立式非易失存儲(chǔ),、嵌入式設(shè)備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及緩沖；Gb級(jí)—獨(dú)立式高性能非易失存儲(chǔ),、FLASH存儲(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)緩沖,、高性能計(jì)算存儲(chǔ)；Tb級(jí)—獨(dú)立式大容量非易失存儲(chǔ),、低功耗數(shù)據(jù)中心,。
目前宋志棠團(tuán)隊(duì)的大型數(shù)據(jù)庫(kù)的高密度存儲(chǔ)嵌入式應(yīng)用已經(jīng)取得突破，在大容量上有原創(chuàng)性成果,。嵌入式PCM 28納米采用高K Metal Gate新型CMOS技術(shù),，滿(mǎn)足高速讀,、寫(xiě)、擦性能的存儲(chǔ)器市場(chǎng),；大容量取決于高驅(qū)動(dòng)能力和能三維集成的二極管技術(shù),。
八、相變存儲(chǔ)器：中國(guó)芯的突破口
發(fā)展自主的信息功能材料用于集成電路制造是國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展的迫切需求,，特別是中興事件后,，這一需求顯得尤為迫切。
《國(guó)際半導(dǎo)體發(fā)展路線圖》（ITRS）指出,，從2010年開(kāi)始,，非傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料陸續(xù)進(jìn)入芯片制造領(lǐng)域：PCRAM，MRAM,，SFQ,，CNT，Graphene……等,，到2017年左右,，傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)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(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖將終結(jié),。到2020年,，器件將達(dá)到熱極限，半導(dǎo)體材料將進(jìn)入量子材料,，量子計(jì)算和拓?fù)淞孔佑?jì)算將占半導(dǎo)體材料的主流,。
目前在材料行業(yè)有三個(gè)值得注意的發(fā)展趨勢(shì)：（一）用于芯片制造的功能材料數(shù)量逐年增多；（二）功能材料對(duì)芯片性能的提升,，在10納米工藝節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)率超過(guò)60％,；（三）大硅片以及SOI材料正在成為集成電路襯底與技術(shù)發(fā)展基石。從這些趨勢(shì)我們可以充分看到宋志棠團(tuán)隊(duì)的研究方向在集成電路制造中的作用是何等重要,，其作用會(huì)越來(lái)越大,。
萬(wàn)丈高樓平地起。我們希望國(guó)內(nèi)有越來(lái)越多的像宋志棠這樣的團(tuán)隊(duì)潛心于基礎(chǔ)研發(fā)不動(dòng)搖,，只有根基扎得深,，大樹(shù)才能枝繁葉茂。只有堅(jiān)持研發(fā),，我們天天喊的“中國(guó)芯”才能真正做到“王者歸來(lái)”為我所用,。
宋志棠博士簡(jiǎn)歷
宋志棠，研究員,，博士生導(dǎo)師,。1997年畢業(yè)于西安交通大學(xué)電子材料與器件研究所,，獲工學(xué)博士學(xué)位。現(xiàn)任信息功能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任,，上海市納電子材料與器件優(yōu)秀學(xué)科帶頭人,，國(guó)內(nèi)PCRAM材料與器件研究的開(kāi)創(chuàng)者。
研究方向?yàn)橄嘧兇鎯?chǔ)材料與器件,、納米拋光液,。創(chuàng)建了上海微系統(tǒng)所納電子材料與器件學(xué)科。與產(chǎn)業(yè)結(jié)合,，率先在國(guó)內(nèi)開(kāi)展相變存儲(chǔ)器（PCRAM）的研發(fā),，培養(yǎng)與組建了100人產(chǎn)、學(xué),、研緊密結(jié)合,、高水平的研發(fā)隊(duì)伍。是國(guó)家集成電路重大專(zhuān)項(xiàng)（02專(zhuān)項(xiàng)）PCRAM項(xiàng)目和973（A類(lèi)）項(xiàng)目的首席科學(xué)家與項(xiàng)目負(fù)責(zé)人,，同時(shí)承擔(dān)國(guó)家先導(dǎo),、863、國(guó)際重大合作以及上海市重大等項(xiàng)目50余項(xiàng),。申請(qǐng)國(guó)家與國(guó)際發(fā)明專(zhuān)利400余項(xiàng),、在Nature Communications , Nanoscale, Scientific Reports 等國(guó)內(nèi)外知名SCI刊物上發(fā)表論文200余篇，撰有《相變存儲(chǔ)器》和《相變存儲(chǔ)器與應(yīng)用基礎(chǔ)》專(zhuān)著兩本,。與中芯國(guó)際和Microchip聯(lián)合組建有一支150余人的產(chǎn)學(xué)研隊(duì)伍,，建立起12英寸PCRAM專(zhuān)用技術(shù)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)出我國(guó)第一款PCRAM芯片,，在中國(guó)首次將PCRAM芯片推向量產(chǎn),。
先后榮獲“新世紀(jì)百千萬(wàn)人才工程”國(guó)家級(jí)人選、上海市領(lǐng)軍人才,、國(guó)務(wù)院特殊津貼,、上海市優(yōu)秀學(xué)科帶頭人、上海市科技中長(zhǎng)期規(guī)劃突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng),、中國(guó)科學(xué)院優(yōu)秀導(dǎo)師獎(jiǎng),、中國(guó)科學(xué)院朱李月華優(yōu)秀教師等獎(jiǎng)勵(lì),，國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng),，中國(guó)科學(xué)院杰出科技成就獎(jiǎng)，上海市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng),，2007年當(dāng)選中國(guó)人民政治協(xié)商會(huì)議上海市第十一屆委員會(huì)委員,。