文章主题：单质碲, 相变存储, 三维相变存储
◆ 作为电子产品不可或缺的关键元器件，也作为智能时代的基石，存储技术的演进可以引领电子信息变革，最前沿的软件技术进步如 ChatGPT 也要背靠强大的存储能力
🌟 创新关键在于简化开关器件制造，使用单一元素如碲引领变革！以往的复杂材料结构限制了纳米级精度，阻碍了三维相变存储的长寿与密度飞跃。得益于单质碲的均匀性优势，开关设备的表现更加稳定一致，为性能提升扫清障碍！🌍SEO优化提示：#碲基创新# #纳米技术突破# #三维存储革命
🌟【创新突破】晶体单一开关器件新路径✨🚀 独特科研成果引领技术革新，开辟单质开关器件新篇章！🔍 这一里程碑式的发现，为实现晶态设备的高效切换提供了坚实的保障，开启了三维相变存储器设计的新视野。💡以往的局限如今被打破，晶体单一材料的开关效应展现出前所未有的潜力，为未来的科技发展带来了无限可能。🌍 无需再隐藏于角落，这一创新技术正熠熠生辉，引领行业走向更广阔的天地。🌟欲了解更多详情，敬请关注相关领域的最新动态，一起见证科技的飞跃！🌐#晶体单质开关 #三维相变存储器 #科技创新
大数据时代的来临为三维相变存储器开辟了广阔的应用天地，尤其是对于多层次的数据管理需求。随着数据量的剧增，我们不再局限于冷数据和热数据的区分，而是发现了温带数据的存在——它们既非完全冷却，也非极度活跃。这种类型的数据存储升级策略，使得三维相变存储能够巧妙地取代传统内存或闪存，从而实现成本效益的显著提升。通过这项技术，不仅能优化数据分层结构，还能为企业的运营效率和资源节约带来实质性的改善。
原题丨探索在下一代存储技术最前沿
文 | 主持人董雪
《瞭望》新闻周刊记者程思琪、许东远
🌟了解三维相变存储？别急，从你日常接触的“老朋友”开始探索存储世界吧！📱💻📺💡，无论是手机里的小小硬盘，还是电脑中的快速内存，甚至是家中的智能扫地机器人的心脏——电池，都在默默地依赖着存储技术。电饭煲也不例外，它背后的微芯片存储着烹饪的秘密。🌟三维相变存储？这不是一个陌生的名字，而是一个正在改变科技游戏规则的创新者。虽然不显山露水，但它在数据存储领域的革新就像电脑升级换代一样重要。💡🔍 无需担心联系方式或广告信息，这里专注于介绍这个科技巨头如何悄悄地影响着我们的生活。想象一下，这些看似平常的电子设备，背后隐藏的是高效、可靠且能适应快速变化的数据处理能力。三维相变存储，正是这样一种先进的材料，它以独特的相变机制提供前所未有的存储密度和速度。🚀💻所以，下次当你再次使用你的手机或电脑时，不妨感谢那些默默工作的存储英雄们，他们用科技的力量让生活更加便捷。🌍💻🌟
本文的主角，可以说是新型存储里实力最能打的—— ” 三维相变存储 “，被视为最有潜力的下一代主流存储器。中国科学院上海微系统与信息技术研究所宋志棠和朱敏团队开发了一种前所未有的开关器件，有望让三维相变存储的性能进一步升级。这一成果近期入选 2022 年度中国科学十大进展。
该开关器件小到纳米级，发挥着类似晶体管的电路开关作用，与相变存储材料共同构成基本存储单元。这项研究成果发表于《科学》杂志。团队早在 2017 年就以全新开发的相变存储材料登上《科学》杂志封面，当时创下的最快存储速度是 700 皮秒（1 秒 =1 万亿皮秒）。近日，该团队进一步挑战，从科学层面探索了相变存储的极限速度—— 242 皮秒。
🌟大数据时代的革新，离不开强大存储能力的推动。🚀前沿技术的突破，正为全球的创新存储带来全新活力。🔍跟随《瞭望》新闻周刊的专业视角，我们有幸揭秘宋志棠教授领军的团队，他们正在科研的第一线，探索并引领着海量存储技术的最新进展。👩🔬他们的每一次突破，都是科技进步的里程碑，为未来的数据世界注入无限可能。🌍让我们一起期待，这个充满活力与创新的时代，如何因他们的努力而更加熠熠生辉！🏆SEO优化词汇：#大数据时代革新# #前沿存储技术# #宋志棠教授团队# #海量存储最新进展# #科技进步里程碑# #数据未来# #熠熠生辉
宋志棠（右一）和朱敏（右三）在实验室 程思琪摄 / 本刊用 ” 善变 ” 的材料存储数据
🌟🔍探索新材料之旅始于”信息功能材料微结构表征平台”🌍——这里是科研团队的微观世界捞针之处，犹如在无垠的材料海洋中精准定位，用尖端科技与创新思维编织出未来材料的秘密代码。💡🔬每一次深入研究，都是对未知世界的深度探索和材料科学的精进突破。让我们一起见证这个实验室如何点亮科技之光，引领行业发展！🏆💪
一台 ” 顶天立地 ” 的大型显微镜（双球差校正投射电子显微镜）占据 “C 位 “，它是科研人员 ” 捞针 ” 的工具。” 这台设备的最高分辨率可以达到 0.8 埃（1 米 =100 亿埃），能清楚地看到原子的变化情况。” 宋志棠说。
宋志棠告诉记者，材料是相变存储的核心所在。” 相 ” 是物理学中一个概念，可以理解为材料的物理状态。相变存储就是利用相变材料的物理状态变化来存储数据，而三维相变存储则是将内部容量从二维 ” 搭平房 ” 升级为三维 ” 盖楼房 “。
早在上世纪 60 年代，科学家发现以硫族元素包括硫、硒和碲化合物为代表的材料有神奇特性：通过电流刺激，它们能在晶体和非晶体间快速变换，并且在这两种状态下有巨大的导电差异。” 类似于传统存储（以内存 DRAM 为例）控制电容存电、放电来记录 1 或 0，一个晶体管开关和一个电容构成其基本单元。相变存储用相变存储材料状态变换后的导电与否来记录 1 或 0，开关发挥控制电流的作用。” 宋志棠说。
能否在众多材料中找到更好的？做出性能更优的相变存储开关？朱敏向记者展示了碲开关开合的奇妙过程：能清楚看到原本长方形的碲开关突然 ” 熔化 “，膨胀出一个圆形泡泡。
具体来看，升温，碲变液态呈现出金属性，开关闭合；降温，碲回归固态不导电，开关断开。这样的 ” 温控 ” 开关小到纳米级，一开一闭只有 15 纳秒（1 秒 =10 亿纳秒），可以使用超过 1 亿次，提供强大的电流驱动能力。
整个过程是那台大型显微镜拍下的，肉眼完全看不到。而且，实际开合变化很快，眨个眼就进行很多次。” 碲开关的实际开合速度还要更快，是皮秒级别的。” 朱敏补充说，”15 纳秒是设备当时能测到的极限数据，所得结果受限于设备技术水平。”宋志棠介绍，发现并利用单质元素制造出开关器件是重要创新。以往的相变开关器件材料组成复杂，材料组成越复杂越难在纳米尺度上做均匀，制约三维相变存储的寿命和存储密度提升。得益于单质碲组分均一，开关器件的一致性与稳定性进一步得到提升。
该成果今年 3 月与祝融号揭秘火星乌托邦平原浅表分层结构、” 中国天眼 ” 精细刻画活跃重复快速射电暴等一同入选 2022 年度中国科学十大进展。2021 年底发表时，《科学》杂志同期发表评论文章称：” 该成果是前所未有的，为实现晶态单质开关器件提供了稳健的方法，此单质开关为三维相变存储器架构提供了新的视角。”
242 皮秒，
挑战相变存储的速度极限
最近，团队又有一篇重磅成果发表于《先进材料》，关注开关材料之外的另一个根部技术——相变存储材料，标题为《迈向相变存储的速度极限》（Toward the Speed Limit of Phase-Change Memory）。
不同于碲开关较强的工程应用价值，这次是纯粹的科学探索，如同科学领域的奥林匹克竞技，就是去挑战极限。
什么是决定相变存储速度的关键因素？答案是：相变材料从非晶态重新结晶的速度。
宋志棠介绍，当前传统的主流存储器有闪存（3DNAND）和内存（DRAM）两种，其中闪存容量大但速度慢、断电不失数据；内存速度快，DRAM 快于 10 纳秒、高速缓冲存储是几百皮秒；但容量小、断电丢失数据。两者性能互补、配合使用，前者大量存储数据，后者充当闪存与处理器（CPU）之间的动态运算桥梁。
朱敏向记者介绍了这次探索的目的：从已有商业产品的性能来看，三维相变存储的整体表现恰好介于两者之间。存储速度方面，三维相变存储远远快于闪存。但是它未来有可能冲击 DRAM 内存的地位吗？从理论上讲，相变存储速度最快能有多快？
” 商业领域主流的相变存储材料是由锗、锑、碲三种元素或其中两种元素组合而成的合金。有趣的是，这些材料的相变速度随着锗和碲的浓度降低而加快，随着锑浓度的增加而加快。” 朱敏说，” 此次科学实验选用单质锑进行，元素锑最近被实验验证为一种潜在的相变材料。”
团队用大小 60 纳米的锑存储单元实现 242 皮秒的相变速度，证明了相变存储未来成为内存和高速缓存的可能性。不过，科学进展不直接等同于产业突破，更何况这一研究明确定位为一次科学探讨。从工程化应用角度看，单质锑存在热稳定性差等问题。
记者采访了解到，宋志棠团队上一次关于相变存储材料的重磅突破，是用含钪、锑、碲的合金材料制造出全新的相变存储器单元，其存储速度可达 700 皮秒。
” 作为新型相变存储材料，钪与碲的化学键稳定，在晶态到非晶体转变过程中形成稳定的‘八面体’基元，并迅速‘成核’生长为晶体，使存储功耗降低，存储速度提升。” 宋志棠说。
这种拥有自主知识产权的钪锑碲相变存储材料已用于工程化开发相变存储器。在测试实验室，记者看到一批生产回来的晶圆正在接受测试，每片晶圆上精密排布了十余种相变存储器。” 这批相变存储器的容量从 4Mb 到 128Mb 不等，包含嵌入式、独立式等多种类型。下一批容量会升级到 512Mb。” 宋志棠介绍。
团队研发的十余种相变存储器被精密排布在一片晶圆上（2023 年 4 月 3 日摄）许东远摄 / 本刊面向海量存储需求加速迭代
业界常称存储器为 “memory（记忆）”，从某种意义上说，它确实很像电子产品的 ” 记忆 “。作为电子产品不可或缺的关键元器件，也作为智能时代的基石，存储技术的演进可以引领电子信息变革，最前沿的软件技术进步如 ChatGPT 也要背靠强大的存储能力（以下简称存力）。
从磁带、光盘，到现在的内存和闪存，自存储诞生以来，业界一直不懈探索提升其性能，希望容量更大、速度更快、价格更低廉。
宋志棠介绍，三维相变存储被寄予厚望由内因和外因共同促成。外因是人工智能和大数据对存力需求迫切，而传统存储因工艺限制面临扩容的瓶颈。内因则是三维相变存储本身有高密度集成的优势，且该优势随着制程水平的进步而扩大。” 同样的制程水平做出来，三维相变存储器的体积更小，而且体积越小、性能越好、成本越低，性价比优势越强。”宋志棠说。
宋志棠介绍，现阶段的三维相变存储产品还在迭代的过程中，整体性能介于传统闪存和内存之间，简单来说就是断电不失去数据的同时，速度比闪存快但比内存慢，容量比闪存小但比内存大，成本比闪存高但比内存低。
即便如此，大数据时代也为现在的三维相变存储器带来了优势应用领域，比如数据分层存储。” 当数据量足够大的时候，数据不仅可以分为冷数据和热数据两类，还可以分出一类介于冷热之间的。这类数据的存储可以从传统内存或闪存替换到三维相变存储，实现降本增效。” 宋志棠说。同时，三维相变存储工艺与嵌入式工艺兼容性更好，在嵌入式器件领域也大有可为。
接下来，团队将继续在科学研究和工程化两个方面发力。一方面是不断攀登相变存储材料和开关材料的科学高峰，为全球的相变存储技术迭代引领方向、注入动力；另一方面是在工程化领域努力追赶，尽量缩小与国际上的差距。
此外，记者在采访中意外了解到，除了这些传统存储已有的应用领域，相变存储还与人脑的神经元有着微妙的联系。以相变存储和神经元为关键词搜索，能找到一批关于神经元计算的研究近年来在《科学》等国际顶级期刊发表。
宋志棠介绍，人脑是由大量神经元和突触组成的复杂网络，相变存储可以用来模拟神经元与突触。简单来说，相变存储材料在非晶态和晶态下的电阻差异通常达到 2 个数量级，因此可以在 0 和 1 之外分出更多的状态，这与神经元群体的行为有着天然的相似性，神经元活动不是一个二元的、全有或全无的状态，它可以在开启和关闭之间采用一系列中间行为。
刊于《瞭望》2023 年第 19 期
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编辑 | 唐朵朵
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