宋志棠，朱敏
中科院上海微系统与信息技术研究所
数字经济伴随着大数据时代的到来，数据量前所未有地暴增，对现有基于存算分离的冯诺依曼计算架构是巨大的挑战。存储器与处理器性能差距加大，存储架构与处理器匹配不均衡带来的“存储墙”问题亟待解决，在有效的解决方式中，离商品化最近的是基于新原理高性能海量存储器与先进处理器实现系统级“存算一体”，次近的是分布式处理器与存储芯片集成在一起的芯片级“存算一体”，最前沿的是多阻态实现存算一体的类脑人工智能芯片。本文综述了磁存储器（MRAM），阻变存储器（ReRAM），铁电存储器（FeRAM）和相变存储器（PCRAM）新型存储原理、存储介质的研究现状及需要解决的科学技术问题。最后，着重讨论目前最成熟的三维高密度相变存储器（3D PCRAM）技术，详细的分析了相变存储材料以及选通管材料的国内外发展现状，分布式多核嵌入式PCRAM在边缘计算与消费性电子产品中的巨大市场前景，探索PCRAM多阻态实现存算一体人工智能芯片的发展前景。二十一世纪以来信息技术不断革新，文档资料、视频、图像等多媒体数据的快速传播以及云计算、物联网的兴起，促使数据量以前所未由的速度暴增，由信息经济时代进入数字经济时代。据推测，到2020年，数据量将达到44泽字节（十万亿亿字节）。这就要求计算系统能够同时实现数据的海量存储与快速分析处理。然而，现有计算机都是基于存储分离的冯诺依曼计算架构, 如图1a所示。CPU是唯一的计算单元，而为了平衡性能和价格，存储器则分成缓存、内存、固态硬盘和机械硬盘。随着晶体管尺寸的缩小，操作频率和晶体管数呈指数增加，在2005年之前，CPU的性能一直以每年~60%的速率提升3。而存储器的性能提升速度在~10%，远低于CPU的性能提升速率。因而CPU和存储器的性能差异每年以~50%在增大，即“存储墙”问题（如图1b所示）。虽然2005年以后，CPU由于难于解决高频率所产生的过热问题，摒弃以往通过提高时钟频率提高性能的方式，CPU单核的性能并没有明显提高。但是“存储墙”问题引发的数据搬运中消耗大量能量与延迟，仍是现有计算架构最大的瓶颈。
图1 现有计算机的“存储墙”问题：a）基于冯诺依曼的存算分离的计算架构，b） CPU和存储器的性能差异每年以~50%在增大，即“存储墙”问题3。要解决“存储墙”问题，就必须充分的了解现有计算机的存储架构，如图1b所示。为了使计算机具有合理的运算速度、适当的存储容量以及合理的价格，达到最大的经济效益，现有的存储架构是层次化的，即同时采用了不用存储容量、存储速度和单位价格的多种存储器。如图1b所示，由上而下依序为缓存（Static Random Access Memory, SRAM）、内存（Dynamic Random Access Memory, DRAM）、固态硬盘（Solid State Disk, SSD）和机械硬盘 (Hard Disk Drive, HDD)。DRAM和SSD是最主流的存储器，占据半导体固态存储器市场的~90%。其中SRAM和DRAM是挥发性的，断开电源后，数据就会丢失，而Flash和HDD是非挥发性的。这几种存储器性能的巨大差异来源于其显著不同的存储机理，分别讨论如下：1）缓存（SRAM）：集成于CPU中，作为一级、二级甚至三级缓存使用，用于加速CPU内部数据的传送。SRAM由6个MOSFET组成，由图2所示，信息存储在M1、M2、M3、M4四个MOSFET所组成的锁存器中。数据存取速度非常快(<1 ns)，可以无限循环 (>1018次)。但是由于需要的晶体管数较多，集成度低 (>120 F2)，而且价格很高，不能大范围应用。2）内存（DRAM）:主要应用于电脑内存，用来临时存储数据。有了这缓冲区，CPU可以直接从内存提取数据而不是从硬盘提取，从而加快CPU处理数据的速度。DRAM的结构比SRAM简单，由一个晶体管和一个电容组成，如图2所示，数据由电容存储。由于电容有漏电现象，需要经常周期性（~ms）地刷新才能保存数据，因而为挥发性存储器，能量消耗大。数据存储速度快存储时间<10 ns，集成度高（6~8 F2），容量大，成本比SRAM低，循环寿命长（>1015次）。3) 固态硬盘（SSD）: 基于Flash存储技术，其基本存储单元为浮栅晶体管，如图2所示。编程时，在晶体管的漏极和控制栅上加个高电压，源极接地，电子从源极流向漏极，部分电子隧穿到浮栅上，由于浮栅被绝缘层隔离，电荷将一直保持，从而实现信息存储。SSD的集成度高（~4 F2），容量大，成本低，但是数据的存储速度较慢（~ms）, 循环寿命差（104~105）。4) 机械硬盘（HDD）: 基于巨磁阻效应，每个硬盘中包含若干个磁盘片，每个磁盘片上沉积了大量的细小磁颗粒组成的多层纳米薄膜（铁磁金属/非磁性金属/铁磁金属），如图2所示，在外加磁场和无外加磁场下，会产生巨大的电阻差异。机械硬盘容量大，价格低，但存储速度慢（~5 ms）。
图2 传统存储器的存储原理示意图：缓存（SRAM）、内存（DRAM）、固态硬盘（SSD）、机械硬盘（HDD）。
2、新型存储器技术
明日再叙。。。。
第一篇 总论/ 001
第1章 我国新材料基础研究的现状、机遇与挑战/ 002
第二篇 前沿新材料/ 015
第2章 拓扑电子材料/ 016
第3章 六元环无机材料/ 036
第4章 有机光电功能半导体分子材料/ 064
第5章 梯度纳米结构材料/ 082
第6章 柔性超弹性铁电氧化物薄膜/ 098
第7章 集成电路用碳纳米管材料/ 113
第8章 新一代分离膜材料：二维材料膜/ 135
第9章 材料素化/ 154
第三篇 战略新材料/ 169
第10章 空间材料科学研究/ 170
第11章 生物医用纤维材料/ 194
第12章 钙钛矿发光、光伏及探测材料/ 211
第13章 新型超高强度钢及其强韧化设计/ 229
第14章 存储器芯片材料/ 247
第15章 先进半导体关键器件材料/ 278
第16章 热电能源材料/ 295
第17章 燃料电池氧还原催化关键材料/ 314
第四篇 基础创新能力提升/ 335
第18章 材料基因工程关键技术与应用/ 336
第19章 基于先进同步辐射光源的金属材料研究与创新平台建设/ 360
第20章 基于透射电镜的原位定量测试技术及应用/ 388