武汉光电国家实验室缪向水：相变存储发展趋势

由中国计算机学会信息存储技术专业委员会、中国教育部信息存储系统重点实验室和DOIT、存储在线共同举办的2016中国闪存峰会在京召开，主题为“关键之年，让闪存绽放”，来自产业界的众多嘉宾围绕闪存技术本身将如何演变与发展，以及闪存竞争的其它存储芯片技术，存储系统将会怎样发展这些热点问题进行了精彩的分享。

武汉光电国家实验室信息存储材料研究所所长缪向水讲述了相变存储发展趋势，以下为整理内容：

相变存储器原理。相变半导体材料在电流穿过的时候，使材料原子发生无序到有序的排列。当从有序到无序的排列时，电子穿过的时候会有阻力，引起的阻力大小和电阻的大小。再通过检测电阻的大小来检测0和1。它的主要特点为尺寸越小操作电流越小，对高密度非常有用。

缪向水解释称：“因为尺寸小的情况下，它的容量越大，假如说容量大的话你要求它的电压大也是不现实的，所以说必须操作电流小。动态数据范围，差别很大，最大可以到100万倍。”

国际半导体工业协会认为相变存储器有可能取代闪存和DRAM等目前主流产品，成为未来存储器的主流产品。

关于相变存储器技术的国际研究机构有英特尔，三星和IBM等。国内有两家，华中科技大学和武汉新芯合作，另一个就是中科院卫星所与SMIC的合作。

相变存储器的应用。2011年三星在手机上采用了1GB的相变存储器芯片。2011年美光将8GB芯片用于PRAM SSD。2013年诺基亚Asha手机使用美光 1GB芯片，2016年5月份IBM将其用于服务器。

三星2550手机采用512MB PCRAM发现存储速度比闪存快了200-1000倍，PCRAM是随机存储器，延时为DRAM的级别。现在的相变存储器的时间大概是100纳秒左右，DRAM为60纳秒，但比闪存快了很多，可用作混合存储器。

PCRAM在2011年很火，后面沉浸了几年，2015年PCRAM有了新的机遇——3D Xpoint，采用交叉点阵结构。因为想在三维里面叠层，而3D NAND的技术也还是闪存的技术，仍然逃不过未来的物理极限。相变存储器假如说采用了空间堆叠结构，存储容量会增大，速度会更快。未来形成3D空间结构，必须得利用交叉点阵的结构，以前的结构已经不适应三层叠加。

以前的相变存储器一般利用三极管，整个面积会很大，三维堆叠很困难。现在的3D Xpoint存储单元可以独立进行读写，速度是现有闪存1000倍，存储密度是现在DRAM的5-10倍。主要优点是解决工艺问题和电串扰和热串扰技术。

今年5月份，IBM开始了研究，在一个单元里面访问3个比特，这是重要的里程碑，相变存储器相对DRAM成本降低接近闪存，容量和速度方面有很大的提升。

对于相变存储器的未来发展。缪向水表示，以前都说要Scaling down，22纳米容量要做到8GB容量，现在的思路是利用多值存储，或者说三维的堆叠，这是发展趋势。另外还要减少操作电流，降低功耗。

结构设计方面减少接触面积，现在的思路是做纳米相变存储器。还有界面相变存储器，利用界面来实现相变存储。关于抑制组织漂移和热串扰问题也有了更好的解决方法——采用控制算法和容错算法抑制组织漂移，采用热导率优化，利用超晶格和界面的影响，改变热串扰问题，提高器件的可靠性。

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