相變存儲

自從1950年由馮·諾依曼博士領(lǐng)導設(shè)計出世界上第一臺具有存儲程序功能的計算機EDVAC以來，存儲技術(shù)的每個跨越式進步都促成了計算機和電子事業(yè)的階段性革命。時間進入后PC時代，各方面的技術(shù)都獲得了較大的突破：網(wǎng)絡上，Wi-Fi和Wimax給人們帶來了前所未有的寬帶無線互聯(lián)體驗；處理器上，64位的計算高潮已經(jīng)到來。唯獨在存儲器這一區(qū)域，在“摩爾定律”的預言下，遇到了技術(shù)上的“瓶頸”，除了不斷降價，技術(shù)上卻無從突破。這樣看來，誰能在下一代存儲技術(shù)上占得先機，無疑會在計算機領(lǐng)域接下來的爭奪中獲得巨大的利潤。

另一方面，在掌上設(shè)備大行其道的今天，人們對于移動存儲的要求越來越高。臺式機（除了非它不可的工作需要）實在已經(jīng)成了過時的玩藝，甚至連筆記本電腦也成為呆板、低調(diào)的代名詞。IT界的廣大淘金者都不約而同地把賭注壓在手持設(shè)備所提供的新的機會上。商務、娛樂、信息、通訊等各種功能統(tǒng)統(tǒng)放在一部類似于手機大小的金屬或塑料盒子中，已經(jīng)不再是遙不可及的神話了。根據(jù)IDC最新的研究表明，2005年企業(yè)存儲半導體市場將逾十億，比預計2004年的8.57億增長18.5%。對于廣大芯片廠商來說，有什么能比這個潛力巨大的移動存儲市場更具誘惑力？然而，同樣地，移動存儲已然面對著技術(shù)落后上的羈絆。硬盤太費電，現(xiàn)有的SRAM、DRAM、ROM、Flash又無法擺脫在容量和可讀性方面的缺憾，已經(jīng)無法更好地適應網(wǎng)絡帶寬和處理器的不斷升級。 iSuppli預測，NOR閃存芯片在2007年的全球銷售收入將達到75億美元，低于2004年83億美元的水平。iSuppli高級閃存分析師Mark DeVoss稱，NOR閃存市場陷入了困境。這是一個可怕的時期。

當然，與突破性的科技創(chuàng)新和進步能夠給人類帶來的巨大的興奮感相比，這種現(xiàn)狀給人們帶來的憂慮實在算不了什么，況且，在潛在的龐大的經(jīng)濟利益的面前，也不容許人們有過多的悲觀。未來的替代品不僅必須是類似閃存一樣的非易失性存儲器，而且要在速度和寫周期上略勝一籌。此外，生產(chǎn)成本也應該相對低廉。由于現(xiàn)在制造技術(shù)還不成熟，新的替代品不會對閃存構(gòu)成絕對的威脅。但最新的種種跡象表明，人們正在不斷地獲得前所未有的科研進展，繼閃存之后，使得替代現(xiàn)有存儲技術(shù)和材料的新方案成為可能。

相變存儲，是這些可能中最有希望的一種。目前，正有大量的新的技術(shù)為了成為下一代主要的非易失性存儲技術(shù)而進行激烈的競爭，包括大容量鐵電體存儲器（FRAM），磁荷隨機存儲器（MRAM）和納米線，但是越來越多的專業(yè)人士認為，最可能取代閃存的是一種基于相態(tài)變化的材料。在這些材料中，信息的永久保存依賴于由加熱引起的相態(tài)變化。在一般情況下，這些材料處于一種無定形態(tài)，加熱后，轉(zhuǎn)變?yōu)榫w，繼續(xù)加熱，將會融化，然后迅速冷卻，回復到無定形狀態(tài)。在晶體狀態(tài)下，這些材料有更加良好的導電性，因為在本質(zhì)上，規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)能夠很好的避免電子的分散。

上個世紀五十年代，發(fā)明家Stanford Ovshinsky首次集中地研究這種材料，目前已經(jīng)被廣泛應用于可重寫的CD上，在CD中，相態(tài)的變化由激光束來完成。信息可以從伴隨著相態(tài)變化的光學變化中進行讀取。但是這樣的材料還沒有發(fā)展到在半導體中的商業(yè)應用，部分原因是由于引起相態(tài)變化需要有較大的電流，并且要避免電流和導線之間的交感，這些問題都還沒有得到很好的解決。

即使這樣，主要的電子和半導體公司，包括AMD， Intel， Panasonic， Philips， Sony， and ST Electronics，都設(shè)立了RD項目來研發(fā)相變存儲。其中的一些公司繼續(xù)沿著Ovshinsky的被稱為ovonic unified memory， 即OUM（奧弗辛斯基電效應統(tǒng)一存儲器）的研究道路來進行存儲器設(shè)計。它由一個固定在電極上的無定形的半導體膜層構(gòu)成；而電流在膜層的另一邊流經(jīng)點電極對膜層進行加熱，使之由無定形狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w，或者重新回復到無定形狀態(tài)。另外一種設(shè)計包含獨立的耐久加熱器，來使相態(tài)發(fā)生變化。

由于發(fā)生在膜層區(qū)域的相態(tài)變化與周圍的環(huán)境不是絕熱的，所以加在芯片上的電壓會過高。對于新一代的電路來說（運行電壓通常為一伏特），相態(tài)的變化必須在非常低的電壓下進行。

直到最近，研究者仍然沒有找到很好的辦法來完成這種低電壓的相態(tài)變化。然而最近，有兩個研究小組報告了使用OUM 設(shè)備所獲得的較大突破。德國亞琛工業(yè)大學（RWTH Aachen）半導體電子學院的Florian Merget拿出了不同的方法。它用一條在二氧化硅層上混合了鍺、銻、碲的無定形半導體細帶來代替膜層，然后把這個細帶連接電源的支線。利用這種構(gòu)造，熱分散可以很好地被控制，而且可以用較小的電壓來進行相態(tài)轉(zhuǎn)變。Merget和他的同事證明，用較低的電流和大約1伏特的電壓來刺激相態(tài)的變化是完全可能的。

同時，位于阿姆斯特丹的皇家飛利浦電子集團的研發(fā)小組，在今年4月刊的Nature Materials上發(fā)表了他們新的成果。他們利用了一種由飛利浦新近開發(fā)的相態(tài)變化材料制成的類似設(shè)備，基于已經(jīng)在DVD中使用的至少融合了以下一種或幾種元素的銻-碲材料：鍺、銦、銀和鎵，這種混合材料能夠比其他實驗性O(shè)UM中使用的鍺-銻-碲混合物更加明顯和迅速地改變相態(tài)。

在早期的材料中，相態(tài)的變化發(fā)生于結(jié)晶過程：加熱的條件下，晶體結(jié)構(gòu)在無定形材料中的許多區(qū)域同時產(chǎn)生。在飛利浦的無定形材料中，晶體結(jié)構(gòu)開始只在一個區(qū)域產(chǎn)生然后迅速成長并擴展到到存儲單元的整個加熱區(qū)域，Karen Attenborough，飛利浦公司領(lǐng)導這項研究的一個高級科學家解釋說。

“這是第一次有人開始關(guān)注這些快速生長的材料，并且看到材料對于存儲行業(yè)的潛力。”她說。飛利浦的這種新材料的運行速度要比閃存的一千萬分之一秒的運行速度快得多。飛利浦工作小組聲稱他們已經(jīng)做到300億分之一秒的運行速度，而且有希望達到5毫微秒的開關(guān)速度。

現(xiàn)在，亞琛大學和 Philips teams都在尋找創(chuàng)建大容量存儲單元的方法。雖然細帶和它的兩端連接限制了這些存儲器單元密度，他們?nèi)匀贿m用于“選擇器”部分，用于讀出個別的記憶單元的聯(lián)合晶體管，Attenborough說道。當然，真正的挑戰(zhàn)是把這些銻-碲材料結(jié)合到真正的電路中，米蘭大學的電子工程師Andrea Lacaita這樣說。“要說使用這種材料的優(yōu)勢，我們至少還要依賴于微陣列的結(jié)果，能夠有效應用于存儲陣列的材料，并不見得會在一個簡單的例子中有著同樣的效用?！?/p>

關(guān)于閃存接下來的命運到底如何，人們?nèi)栽跔幷撝?，一方信心堅定地尋找閃存替代品，例如，美國國際商用機器公司（ＩＢＭ）和德國內(nèi)存制造商英飛凌公司剛剛宣布，他們將和中國臺灣的旺宏公司合作，開發(fā)下一代存儲技術(shù)——相變存儲，著眼于“摩爾定律”之后的信息技術(shù)發(fā)展。而也有一方認為在未來幾年中生產(chǎn)45毫微米的閃存將完全有可能。這也許會讓閃存起死回生。至少在未來的十年內(nèi)，閃存沒有可能由其他的存儲器取代。