尽管需要更好的内存，但要满足嵌入式内存解决方案和设备的 28 纳米设计标准和更小的占用空间，仍然存在很多困难。

一种可能的解决方案是相变存储器，这是一种非易失性随机存取存储器，即使断电也能保留存储的数据，并在不离开存储器本身的情况下提供计算分析。

PCM 的基本原理可以追溯到 1960 年代，最初的开发目前已由意法半导体获得专利，尺寸达到 28 纳米。PCM 的一些优势包括数据保留、低功耗特性以及在高达 165 摄氏度的工作温度下的稳健性能。

PCM 研究的美妙之处在于如何改变分子或原子结构可以让其他开发人员创造一种新的方法来建立在原始开发的基础上，并在下一代纳米技术中实现更小的几何形状。本文将介绍推动 PCM 走向未来的一些最新进展和研究。

PCM材料技术特点

PCM是指在物质发生相变时，可吸收或释放大量能量(即相变焓)的一类材料。由于相变材料是利用潜热储能，储热密度大，蓄热装置结构紧凑，并且在相变过程中本身温度基本不变，易于管理，随着全球节能意识的提高，相变材料的这一特性引起了研究人员的重视，相变储热技术在储能领域越来越大放异彩。

相变化示意图（图自：FMS KOREA）

广义上的储热技术包括储热技术和储冷技术两种，其中储热技术包括显热储热和相变储热。显热储热是利用材料自身的比热容来储存/释放热能，相变储热是利用相变材料PCM(phase change materials)发生相变时进行的吸/放热能量转化方式来储存/释放热能。相变储热材料具有储热密度高、充放热过程中温度变化较小等优点，受到国内外学者的广泛关注。

目前相变类储热材料主要有有机类、熔融盐类、合金类及复合类等。其相变形式主要有4种：固-固、固-液、固-气和液-气。

图表1 各类相变材料的特征区别

理想的固-液相变材料应具有以下性质:

(1)熔化潜热高,从而在相变中能贮能或放出较多的热量;

(2)相变温度适当,能满足需要;

(3)固-液相变的可逆性好,能尽量避免过冷或过热现象;

(4)固-液两相导热系数大;

(5)固-液相变过程有较小的膨胀收缩性;

(6)相变材料的密度大,比热容大;

(7)无毒,无腐蚀性;

(8)成本低,制造方便。

与固-液相变材料相比,固-固相变材料具有不少优点。可以直接加工成型,不需容器盛装;固-固相变材料膨胀系数较小,相变时体积变化较小;不存在过冷和相分离现象,不需要加入防过冷剂和防相分离剂;毒性很低,腐蚀性很小;无泄漏问题,对环境不产生污染;组成稳定,相变可逆性好,使用寿命长;装置简单,使用方便。固-固相变材料主要缺点是相变潜热较低,价格较高。

液-气相变及固-气相变由于在相变过程中伴随有大量气体的存在，使材料体积变化较大，因此尽管它们有很大的相变热，但在实际应用中很少被选用。

相变材料在数据存储方面的应用

PCM是一种高性能、非易失性存储器，基于硫属化合物玻璃。这种化合物有一个很重要的特性，当它们从一相移动到另一相时能够改变它们的电阻。该材料的结晶相是低电阻相，而非晶相为高电阻相，通过施加或消除电流来完成相变。与基于NAND的传统非易失性存储器不同，PCM设备可以实现几乎无限数量的写入。此外，PCM器件的优势还包括：访问响应时间短、字节可寻址、随机读写等，其也是诸多被称为能够“改变未来”的存储技术之一。

在2017年，由上海微系统与信息技术研究所所长宋志棠带领的科研团队在新型相变存储材料方面取得重大突破，创新提出一种高速相变材料的设计思路，即以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。利用0.13um-COMS工艺制备的Sc-Sb-Te基相变存储器件实现了700皮秒的高速可逆写擦操作，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%，且十年的数据保持力相当。

2018年，内存芯片制造商SK海力士公司，已开始生产基于PCM的3D交叉点存储器,SK介绍该应用于SCM的3D crosspoint 存储单元，是由基于硫化物的相变材料制成的。

IBM 研究表明，通过使用基于相变存储器的模拟芯片，机器学习能力可以加速一千倍。IBM公司的一个博客透露，IBM正在建立一个研究中心，以开发新一代AI硬件，挖掘PCM存储器在AI领域的应用潜力。

包含多个PCM器件的芯片（图自：IBM博客）

斯坦福的柔性 PCM 研究

斯坦福大学的电气工程研究方面很优秀。研究的范围包括物理技术、信息系统、硬件系统和可再生能源。在他们的EE 部门内有 Pop's Lab，这是一个由斯坦福大学教授 Eric Pop 领导的实验室。Pop 的实验室研究工作探索纳米电子学和纳米级能量转换技术。

最近，Pop 教授的团队发现，可以在不牺牲 PCM 的标准特性的情况下，操纵和弯曲相变存储器件以满足更小的纳米技术的需求。

斯坦福的 PCM 设备

这些 PCM 可以是塑料、纸、柔性玻璃或金属箔，以实现弯曲特性。斯坦福大学的研究人员发现，即使在 100 次弯曲循环之后，由聚酰胺制成的超晶格也可以层叠在 PCM 上以提供柔韧性，同时还能承受低电阻和高电阻状态。

超低电流密度存在于 PCM 的结构中，同时具有低热导率。这些结果表明，灵活的 PCM 可以实现多层次的能力，是内存计算应用的有前途的解决方案。

Eric Pop 教授认为，他的团队的发现具有切换柔性存储单元所需的电流密度，比大多数其他报告的相变存储器低 10 到 100 倍。此外，当弯曲时，存储单元可以保持其性能。

随着世界进入神经网络和量子计算的新时代，柔性 PCM 可以产生更高的能量密度，并且可能是数据存储丢失的关键，以获取更大的数据量，这就是 IBM 研究院正在研究 PCM 技术的原因。

IBM 通过 PCM Research 探索内存计算

IBM 是云计算、人工智能 (AI)、量子计算以及探索性科学和材料领域备都备受认可和尊重的企业，它不断研究以寻找应对全球数据和信息的方法，这些数据和信息将继续呈指数级增长。

2018 年，全球数据存储量达到 33 泽字节，需要发现满足下一代计算的新方法。了解这些问题后，IBM 的研究人员通过分析新材料来提供节能架构来解决这个问题。

IBM 希望 PCM 有益的内存计算的一般概述

IBM 的一个有前途的解决方案是 PCM，因为它们可以仅根据原子结构中发生的变化来存储和删除数据。

当 PCM 晶体被加热时，它们会物理软化，但可以快速删除存储的信息。提供冷却系统无济于事，因为材料会变硬并减慢信息存储和获取的速度 ，将设计与传统的冯诺依曼相比，能源使用效率低下和数据流量瓶颈。

为了进一步研究，IBM 发现由锗锑碲 (GST) 合金组成的 PCM 可以承受温度的显着变化而不会失去物理特性。这些非金属需要低能量并且不会经历熔化，这会导致数据丢失。

在 IBM 的苏黎世工厂中，内存和神经形态计算是在实际应用中应用 PCM 的主要方法。回到基础，拥有可以执行任务和算术运算的内存是内存计算所寻求的。

以 PCM 作为构建块，这些存储设备可以存储要执行的数据和矩阵向量运算。

这些低级计算的一个例子是求解线性方程组。PCM 可以在深度学习应用中为神经网络实现基于尖峰的算法。

IBM 继续深入探索探索性多级 PCM 技术，以帮助大量数据顺利通过新的内存和处理桥梁。

文章来源： 半导体行业观察，5G行业观察