研究团队发明新型PCRAM材料 存储速度提升100倍 功耗降低90%

RAM，又称为随机存储器，是与CPU直接交换数据的内部存储器，也叫主存(内存)。它可以随时读写，而且速度很快，通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储媒介。但是RAM在断电后保存的数据会自动消失，因此RAM在应用上受到限制。

近几十年，伴随着计算机技术和制造工艺越来越好，计算机性能在提高的同时，其体型也在不断减小，但是内存技术的进步却在放缓。自20世纪60年代开始，科学家就断定，相变随机存储器(PCRAM)将会是替代RAM的优选。

这里，值得一提的是，如果要用PCRAM作为计算机的主存，它的材料特性就要能够稳定的记录0和1。PCRAM通过状态的切换来做到这一点，当它用高电导晶态记录0时，它就会用低电导玻璃态去记录1，整个记录过程它通过发送大电流来改变状态，以此实现对数据的写入或改写。

但是，问题在于，一直以来最常用的相变材料，锗、锑和碲的合金(称为GST)的特性并不是稳定的，有时从非晶转变为晶态，它需要花费10纳秒。这一速度使得其性能只能相当于今天的DRAM，而没有办法达到电脑主存的要求。

近日，中科院上海微系统所宋志棠科研团队在新型相变存储材料方面取得了重大突破，创新提出一种高速相变材料的设计思路，研制出了全新的PCRAM。

据了解，研究团队根据第一性理论计算与模拟分子动力学，从众多过渡族元素中，优选出钪(Sc)作为掺杂元素，从而设计了Sc-Sb-Te材料。因材料本身具备低功耗、长寿命、高稳定性的特点，且Sc与Te形成的稳定八面体可以实现高速、低功耗存储，故而研究人员成功通过减小非晶相变薄膜内成核的随机性来实现相变材料的高速晶化。

随后他们利用0.13um CMOS工艺制备的Sc-Sb-Te基相变存储器件，据实验数据表明，该器件可以实现700皮秒的高速可逆写擦操作，其循环寿命大于107次。相比传统Ge-Sb-Te器件，其操作功耗降低了90%，且具有十年的数据保持力。

这一重大发现，将会对存储器的跨越式发展起到巨大推动作用。对此，北大PCRAM专家Hongsik Jeong表示：“速度是存储器的核心价值所在，但是PCRAM没有受限于速度这一标准，它已经开始有广泛的数据存储应用了，所以现在对其存储速度的提升，必将会使PCRAM的发展迅速提升。”

不过，关于应用前景，Jeong还指出，想要更快的发展和推广PCRAM，必须解决PCRAM的扩展问题。此外，它还需要具备承受标准芯片制造条件下的高温，且能够重写几万亿次的数据来匹配DRAM的性能。当这些问题都解决了，计算机将会朝着更小、更快、更便宜的方向发展下去。

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(责任编辑：夏喧）