IBM、旺宏和奇夢達共同推出新型存儲芯片技術

 

尺寸非常小的新型“相變”內(nèi)存速度遠遠快于閃存

來自IBM、旺宏和奇夢達的科學家今天聯(lián)合發(fā)布他們的共同研究成果，這種新型計算機存儲器技術將有望取代已被廣泛用于計算機和消費類電子產(chǎn)品（如數(shù)碼相機和便攜式音樂播放器）的閃存芯片。

新研究成果預示“相變”內(nèi)存的前景一片光明，該內(nèi)存的處理速度遠遠快于閃存，并且尺寸也比閃存小得多，從而使未來高密度“非易失性”存儲器以及功能更強大的電子設備的出現(xiàn)成為可能。非易失性存儲器無需利用電力來保存信息。通過將非易失性與優(yōu)異性能以及可靠性完美結合起來，相變技術還為面向移動應用的通用存儲器開辟了道路。 

來自三家公司的科學家們在位于美國東西海岸的兩個IBM研究中心實驗室一起設計、制作和展示相變內(nèi)存原型：交換速度也比閃存快500倍，而寫入數(shù)據(jù)的功耗不到閃存的一半。該器件的截面面積僅為3*20納米，遠比當今的閃存小，并且與業(yè)界預期的2015年芯片制造能力相吻合。新成果還表明，當相變存儲器尺寸隨摩爾定律減小時，其技術仍會不斷提高，這與閃存特性不同。

“這些成果充分證明，相變存儲器的前景將非常光明，”IBM研究院科技副總裁T.C. Chen博士說道，“許多人都預計，在不久的將來閃存會遭遇嚴重的尺寸縮小限制。如今，我們推出了新型相變存儲材料，即使體積極其微小，該材料也會具有非常高的性能。這將最終導致相變存儲器對許多應用非常有吸引力。”

這種新型材料是一種復雜的半導體合金，是在位于加州圣何塞的IBM阿爾馬登研究中心經(jīng)過深入的研究誕生的。該材料借助專門用于相變存儲單元的數(shù)學仿真設計而成。 

“許多新興的存儲技術，如相變存儲器，是奇夢達高級存儲技術開發(fā)的重要元素，”奇夢達股份公司技術創(chuàng)新高級副總裁 Wilhelm Beinvogl 博士說道，“我們已經(jīng)展示了這款體積非常小的相變存儲器的潛力，可以看出，相變存儲器在未來的存儲器系統(tǒng)中將發(fā)揮十分重要的作用。” 

這一研究成果的技術細節(jié)將于本周在舊金山舉辦的電氣電子工程師協(xié)會 (IEEE) 2006年國際電子器件大會 (IEDM) 上進行展示（論文30.3：“采用 GeSb 的超薄相變橋接存儲器”——Y.C.Chen等人，12月13日星期三上午）。該論文也是即將于2007年2月在舊金山舉辦的IEEE國際固態(tài)電子電路大會“2006年IEDM技術亮點”會議選中的五篇論文之一。

“旺宏自從成立以來就致力于非易失性存儲器的開發(fā)，”旺宏電子總裁Miin Wu說道，“IEDM和ISSCC的認可證明我們與IBM和奇夢達的共同努力已經(jīng)在相變存儲器技術領域獲得成功。除了相變存儲器技術的突破，我們還在開發(fā)新型NAND閃存技術——BE-SONOS，一種面向數(shù)據(jù)存儲應用的解決方案。我們一直致力于為我們的客戶提供高性能的先進易非失性存儲器解決方案。”

技術細節(jié)

計算機存儲單元通過在兩種易辨狀態(tài)（數(shù)字“0”或“1”）間迅速轉換的架構存儲信息。當前的大多數(shù)存儲器都是根據(jù)微小的存儲單元的有限區(qū)域中有無電荷來記錄數(shù)據(jù)的。業(yè)界處理速度最快和最經(jīng)濟的存儲設計分別是采用固有泄漏存儲單元的SRAM（靜態(tài)內(nèi)存）和DRAM（動態(tài)內(nèi)存），因此，它們需要連續(xù)供電，如果是DRAM，還要不斷刷新。一旦電源中斷，這些“易失性”存儲器就會丟失它們所存儲的信息。 

當前使用的大多數(shù)閃存都有一個存放電荷的部分——“浮柵”，其設計特點是不會泄漏。因此，閃存可保持其存儲的數(shù)據(jù)并且只在讀、寫或擦掉信息時需要供電。這種“非易失性”特征使得閃存被廣泛用于以電池供電的便攜式電子設備中。非易失性數(shù)據(jù)保留也是一般計算機應用的一大優(yōu)勢，但是在閃存上寫入數(shù)據(jù)要比在DRAM或SRAM上寫入數(shù)據(jù)慢上千倍。而且，閃存存儲單元在被寫過大約10萬次以后就會降質(zhì)并且變得不再可靠。這對于許多消費應用來說并不是問題，但對那些必須頻繁重寫的應用，如計算機主存儲器或網(wǎng)絡的緩沖存儲器或存儲系統(tǒng)來說，這將會帶來問題。閃存在未來面臨的第三個問題是，按照摩爾定律，現(xiàn)有的存儲單元設計在進入45納米制程時，很難繼續(xù)保持非易失性特性。 

由IBM、旺宏和奇夢達共同取得的相變存儲器成果極其重要，因為它不僅推出了一種新型非易失性相變材料（轉換速度比閃存快500倍，功耗不到閃存的一半），最重要的是，當其尺寸縮小為至少22納米時，依然可實現(xiàn)這些性能，遠遠領先浮柵閃存。 

該相變存儲器的核心是一小片半導體合金膜，它可以在有序的、具有更低電阻的結晶相位與無序的、具有更高電阻的非結晶相位之間快速轉換。因為無需電能來保持這種材料的任意一種相位，所以，相變存儲器是非易失性的。

該材料的相位是由用來加熱該材料的電脈沖的幅度和持續(xù)時間設定的。當材料被加熱至高于熔點時，合金的高能原子就會到處移動，進行隨機排列。突然停止電脈沖會使原子定格在隨機的非結晶相位。用大約10納秒的時間慢慢停止脈沖，原子將有足夠的時間重新排列為它們優(yōu)先選擇的有序結晶相位。

新型存儲器材料是一種鍺銻合金 （GeSb），在其中還加入（摻入）了少量其它元素以加強其性能。模擬研究使得研究人員可以微調(diào)和優(yōu)化該材料的性能，并且研究其結晶行為。新材料成分已經(jīng)申請專利。