新型材料锗锑合金“相变”内存赶超闪存

　　来自IBM、旺宏和奇梦达的科学家今天联合发布他们的共同研究成果，这种新型计算机存储器技术将有望取代已被广泛用于计算机和消费类电子产品（如数码相机和便携式音乐播放器）的闪存芯片。
　　
　　新研究成果预示“相变”内存的前景一片光明，该内存的处理速度远远快于闪存，并且尺寸也比闪存小得多，从而使未来高密度“非易失性”存储器以及功能更强大的电子设备的出现成为可能。非易失性存储器无需利用电力来保存信息。通过将非易失性与优异性能以及可靠性完美结合起来，相变技术还为面向移动应用的通用存储器开辟了道路。
　　
　　来自三家公司的科学家们在位于美国东西海岸的两个IBM研究中心实验室一起设计、制作和展示相变内存原型：交换速度也比闪存快500倍，而写入数据的功耗不到闪存的一半。该器件的截面面积仅为3*20纳米，远比当今的闪存小，并且与业界预期的芯片制造能力相吻合。新成果还表明，当相变存储器尺寸随摩尔定律减小时，其技术仍会不断提高，这与闪存特性不同。
　　
　　“这些成果充分证明，相变存储器的前景将非常光明，”IBM研究院科技副总裁T.C. Chen博士说道，“许多人都预计，在不久的将来闪存会遭遇严重的尺寸缩小限制。如今，我们推出了新型相变存储材料，即使体积极其微小，该材料也会具有非常高的性能。这将最终导致相变存储器对许多应用非常有吸引力。”
　　
　　这种新型材料是一种复杂的半导体合金，是在位于加州圣何塞的IBM阿尔马登研究中心经过深入的研究诞生的。该材料借助专门用于相变存储单元的数学仿真设计而成。
　　
　　“许多新兴的存储技术，如相变存储器，是奇梦达高级存储技术开发的重要元素，”奇梦达股份公司技术创新高级副总裁 Wilhelm Beinvogl 博士说道，“我们已经展示了这款体积非常小的相变存储器的潜力，可以看出，相变存储器在未来的存储器系统中将发挥十分重要的作用。”
　　
　　这一研究成果的技术细节将于本周在旧金山举办的电气电子工程师协会 (IEEE) 2006年国际电子器件大会 (IEDM) 上进行展示（论文30.3：“采用 GeSb 的超薄相变桥接存储器”??Y.C.Chen等人，12月13日星期三上午）。该论文也是即将于2007年2月在旧金山举办的IEEE国际固态电子电路大会“2006年IEDM技术亮点”会议选中的五篇论文之一。
　　
　　“旺宏自从成立以来就致力于非易失性存储器的开发，”旺宏电子总裁Miin Wu说道，“IEDM和ISSCC的认可证明我们与IBM和奇梦达的共同努力已经在相变存储器技术领域获得成功。除了相变存储器技术的突破，我们还在开发新型NAND闪存技术??BE-SONOS，一种面向数据存储应用的解决方案。我们一直致力于为我们的客户提供高性能的先进易非失性存储器解决方案。”
　　
　　技术细节
　　
　　计算机存储单元通过在两种易辨状态（数字“0”或“1”）间迅速转换的架构存储信息。当前的大多数存储器都是根据微小的存储单元的有限区域中有无电荷来记录数据的。业界处理速度最快和最经济的存储设计分别是采用固有泄漏存储单元的SRAM（静态内存）和DRAM（动态内存），因此，它们需要连续供电，如果是DRAM，还要不断刷新。一旦电源中断，这些“易失性”存储器就会丢失它们所存储的信息。
　　
　　当前使用的大多数闪存都有一个存放电荷的部分??“浮栅”，其设计特点是不会泄漏。因此，闪存可保持其存储的数据并且只在读、写或擦掉信息时需要供电。这种“非易失性”特征使得闪存被广泛用于以电池供电的便携式电子设备中。非易失性数据保留也是一般计算机应用的一大优势，但是在闪存上写入数据要比在DRAM或SRAM上写入数据慢上千倍。而且，闪存存储单元在被写过大约10万次以后就会降质并且变得不再可靠。这对于许多消费应用来说并不是问题，但对那些必须频繁重写的应用，如计算机主存储器或网络的缓冲存储器或存储系统来说，这将会带来问题。闪存在未来面临的第三个问题是，按照摩尔定律，现有的存储单元设计在进入45纳米制程时，很难继续保持非易失性特性。
　　
　　由IBM、旺宏和奇梦达共同取得的相变存储器成果极其重要，因为它不仅推出了一种新型非易失性相变材料（转换速度比闪存快500倍，功耗不到闪存的一半），最重要的是，当其尺寸缩小为至少22纳米时，依然可实现这些性能，远远领先浮栅闪存。
　　
　　该相变存储器的核心是一小片半导体合金膜，它可以在有序的、具有更低电阻的结晶相位与无序的、具有更高电阻的非结晶相位之间快速转换。因为无需电能来保持这种材料的任意一种相位，所以，相变存储器是非易失性的。
　　
　　该材料的相位是由用来加热该材料的电脉冲的幅度和持续时间设定的。当材料被加热至高于熔点时，合金的高能原子就会到处移动，进行随机排列。突然停止电脉冲会使原子定格在随机的非结晶相位。用大约10纳秒的时间慢慢停止脉冲，原子将有足够的时间重新排列为它们优先选择的有序结晶相位。
　　
　　新型存储器材料是一种锗锑合金 （GeSb），在其中还加入（掺入）了少量其它元素以加强其性能。模拟研究使得研究人员可以微调和优化该材料的性能，并且研究其结晶行为。新材料成分已经申请专利。
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