深度
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■文 / 杨玉玺 袁国亮 刘俊明随
着信息技术不断发展，近年来，海量数据成 为最具价值的财富。在信息传播极其迅速的 今天，各种数据渗透着我们的生活。它们以指数级 的速度增长，形成数据爆炸，将我们带入大数据时代。 最早提出“大数据”时代到来的，是全球知名咨询 公司麦肯锡 (McKinsey & Company)。麦肯锡称：“数 据，已经渗透到当今每一个行业和业务职能领域， 成为重要的生产因素。人们对海量数据的挖掘和运 用，预示着新一波生产率增长和消费者盈余浪潮的 到来。” 那 么， 大 数 据 到 底 有 多 大？ 早 在 2012 年， MBAonline 网站曾发布一组名为“互联网上一天”的 数据，一天之中，互联网产生的全部内容可以刻满 1.68 亿张 DVD；发出的邮件有 2 940 亿封之多，相当 于美国两年的纸质信件数量；发出的社区帖子达 200 万个，相当于《时代》杂志 770 年的文字量；卖出 的手机为 37.8 万台，高于全球每天出生的婴儿数量 （37.1 万）……到 2012 年为止，人类生产的所有印 刷材料的数据量为 200PB，全人类历史上说过的所有 话的数据量大约是 5EB。IBM 公司的研究称，到 2020 年，全世界所产生的数据规模将达到当时的 44 倍。 大数据所需的大容量，对信息存储带来了更大 的挑战。海量信息的存储，单纯地依靠现有的存储 技术已经显得有些力不从心。传统的存储方式如光 盘、磁盘、磁带等，大部分已经不再是主流。主流存储器件
说到硬盘，想必大家都不会陌生。硬盘主要分 为固态硬盘（SSD）、机械硬盘（HDD）、混合硬盘 （HHD）。 ●机械硬盘 机 械 硬 盘 是 计 算 机 目 前 所 采 用 的 主 流 存 储 方 式。它在 1956 年由 IBM 公司制造，当时的存储容 量只有 5MB，体积却相当于两个冰箱的大小。经过 结构和技术的不断发展，我们目前已经可以轻易地 买到 10TB 容量的单盘。机械硬盘中所有的盘片都 装在一个旋转轴上，盘片之间是平行的，在每个盘 片的存储面上有一个磁头，磁头与盘片之间的距离 比头发丝的直径还小，所有的磁头连在一个磁头控 制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。 机械硬盘之所以能够得到应用并发展至今，与 其自身的优势是不可分割的。与世面上其他的存储 介质，如 U 盘和固态硬盘等相比，机械硬盘容量大、 价格低、技术成熟、存储时间长、容错性好。但是， 与后续兴起的存储技术相比，机械硬盘也有不可忽 视的自身缺陷。它的读写速度相对较慢、介质越到 边缘的读写速度越慢、安全性不高（碰撞后易损坏）， 这也是为什么带有机械硬盘的电脑通常不建议通电 搬动的原因。 ●固态硬盘 除了机械硬盘之外，固态硬盘在近些年也逐渐成前途可期的电阻记忆体
海量信息的存储，单纯地依靠现有的存储技术已经显得有些
力不从心。电阻记忆体或许是目前最具有研究前景的第三代半导
体存储器件之一。
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张江科技评论 2018.4随着传统的存储方式面临越来越多的挑战，除了继续提高存储器
件的工艺制造水平，也需要大力发展新型存储技术。
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为市场上的另一种主流的大容量存储介质。它与我 们日常使用的 U 盘一样，都是基于浮栅结构的 Flash 存储器。2006 年 3 月，三星公司首次发布一款 32GB 容量的固态硬盘笔记本电脑。浮栅结构的存储器件从 出现发展至今，在结构上基本没有太大的变化，其最 明显的变化在于随着半导体工业的发展，器件的尺寸 越来越小。目前，Flash 存储器件的尺寸可以缩小至 16 纳米以下。然而，尺寸减小也带来了一系列的问题， 如相邻单元间存在干扰、发热量大引起器件损坏等。 为了追求单位面积上更大的存储容量，目前 3D NAND （多层存储）技术得到了大力的发展，其最大的特 点在于多层存储。2018 年，三星公司首次宣布 96 层 NAND 闪存进入量产阶段。 固态硬盘相对于传统机械硬盘的优点在于：读写 速度快、防震抗摔性强、低功耗、无噪声、工作温度 范围大、体积小、携带轻便。然而，它也存在容量比 机械硬盘小、寿命比机械硬盘短、制造成本高、长期 断电会导致数据丢失且数 据恢复可能性较低等缺点。 ●混合硬盘 混 合 硬 盘 是 基 于 传 统 机械硬盘诞生出来的新硬 盘，除了机械硬盘必备的 碟 片、 电 机、 磁 头 等， 还 内置了 NAND 闪存颗粒，这 些颗粒将用户经常访问的 数据进行储存，可以达到 如固态硬盘效果的读取性 能。其中，磁盘仍是最为重要的存储介质，闪存仅起 到缓冲作用，将更多的常用文件保存到闪存内从而减 小寻道时间，提升效率。 固态硬盘读写速度够快，但容量小、价格贵；机 械硬盘虽然读写速度一般，但容量大，够便宜。混合 硬盘的出现意在平衡价格、容量及性能三者的尖锐关 系。混合硬盘集传统硬盘和固态硬盘之所长：读写速 度快、容量大、预算合理。混合硬盘技术的出现为用 户获得更高设备性能、更丰富的应用提供了一种新的 方式，并且是以合理的价格实现它。第三代半导体存储器件
随着传统的存储方式面临越来越多的挑战，除了 继续提高存储器件的工艺制造水平，也需要大力发展 新型存储技术。电阻记忆体是目前最具有研究前景的 第三代半导体存储器件之一。作为一项新兴的存储技 术，2000 年美国休斯顿大学的一个研究小组报道了 电阻记忆特性之后，电阻记 忆体才开始正式被人们广泛 关注，科研界和工业界开始 投入大量的人力、物力来研 究其特性，并进行了一系列 的专利布局。 电阻记忆体，以上电极、 电阻转变层、下电极这种三 明治结构组成的存储单元为 核心，再加上读写控制、编 译码集成电路等部分 , 相比 电阻记忆体的交叉开关矩阵（cross-bar）结构 选择器 读写总线 存储单元25
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其他存储器件结构更加简单 , 简单的工艺结构也为其 后续的发展提供了保证。工作原理上，电阻记忆体 是通过写入电压的不同，来实现材料在高电阻状态 和低电阻状态之间的可逆切换，从而实现信息的存 储。由于电阻记忆体的电阻变化过程中，外加的激 励只影响薄膜材料中的电子结构或者很小区域内的 原子结构排列，因此，理论上讲，电阻记忆体具有 十分优越的可缩小性。除此之外，与传统浮栅结构 的 Flash 存储器相比，电阻记忆体在器件结构、速度、 三维集成潜力等方面都具有明显的优势，如果得到 应用，计算机的运算速度、功耗以及存储容量都将 得到大幅度的提升。 国际半导体技术路线 (ITRS) 认为，阻变式存 储器（RRAM）是应当受到重点关注并加速实现产业 化的两种新型存储器之一。同时，电阻记忆体元件 在实际的工业化进程中也取得了很大的发展。2014 年，全球最大的半导体储存及影像产品制造商美光 公司公布了基于互补金属氧化物半导体（CMOS）工 艺的 27 纳米，单颗容量为 16GB 的存储器件原型， 但 目 前 距 离 量 产 还 有 很 大 的 距 离。2015 年， 美 国 Crossbar 公司宣布其电阻记忆体开始进入商业化阶 段，加速进行容量更大的存储器件的研究。2016 年， 我国规模最大的集成电路晶圆代工企业之一的中芯 国际与 Crossbar 公司达成了关于 RRAM 的战略合作 借助超高密度、 超快速的存储来 播放和读取高清 视频、游戏收藏。 连接众多高密度集 成的设备和传感器， 从而实现信息的存 储和分享，存储的 数据可在单次电池 充电下保存数年。 催生全新的时髦 设 备， 它 能 整 合 健 康、 健 身 数 据 和全身丰富的内 容环境。 借助云基应用或 数据，实现更快 的网络查询和内 容生成。 在 较 大 温 度 范 围 内，能在关键机器、 传感器和汽车上提 供快速、可靠、安 全的数据获取。 凭 借 更 密 集 的 机 架 空 间 和 超 低 延 迟 的 固 态 驱 动， 实 现 计 算 和 大 数 据分析。消费电子
物联网
可穿戴设备
移动计算
工业 / 汽车 / 医疗
企业存储
电阻记忆体的应用方向26
张江科技评论 2018.4杨玉玺，南京理工大学博士。 袁国亮，南京理工大学材料科学与工程学院教 授、博士生导师。 刘俊明，南京大学物理学院教授、博士生导师， 曾获得国家杰出青年基金（1997）、获聘南京大学长 江特聘教授（2004）、获选美国物理学会会士（Fellow, 2015）。 协议，两家企业帮助客户将低延时、高性能、低功 耗嵌入式 RRAM 存储器组件整合入微控制单元（MCU）、 系统级芯片（SoC）等器件，以应对物联网、可穿戴 设备、平板电脑、消费电子、工业及汽车电子市场 的需求。 随着物联网（Internet of things）的发展， 电子器件除了维持原有的功能之外，也逐渐朝着微 型化和柔性化的方向发展，因此，柔性的电阻记忆 体在近些年也得到了广泛的研究。既然是柔性电阻 记忆体，毫无疑问，电子功能材料的柔性化成为很 重要的一环。可以用来实现电阻记忆体良好性能的 功能材料有很多，例如，二元金属氧化物、钙钛矿 结构（ABO3）金属氧化物、卤素钙钛矿、导电聚合物， 等等。考虑到柔性电阻记忆体的综合性能，材料既 要导电、又要绝缘，这两种状态的高温稳定性要求 较高，并且材料也需要具有良好的抗机械弯曲性能， 因此，二元或者钙钛矿结构的金属氧化物在工业应 用中更具有前景。 钛酸钡 (BaTiO3) 等钙钛矿结构氧化物材料具 有 优 异 的 压 电、 介 电 和 多 铁 性 能， 是 一 种 工 业 界 广 泛 应 用 的 工 业 材 料。 研 究 人 员 在 硅 或 者 钛 酸 锶 （SrTiO3） 硬 质 基 片 的 基 础 上 制 备 了 掺 钴 钛 酸 钡 （BaTi0.95Co0.05O3,BTCO）薄膜并证实了它们具有优 越的阻变性能。为了获得柔性弯曲的氧化物电阻记 忆体，2017 年，科研人员制备了云母（Mica）/ 钌 酸锶（SrRuO3）/ 掺钴钛酸钡 / 金结构电阻记忆体 单元。实验表明，制备的样品具有优越的综合阻变 性质：信息读写次数超过 36 万次、能够在室温至
