近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所相變存儲(chǔ)器課題組在三維存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以"A Single-Reference Parasitic-Matching Sensing Circuit for 3-D Cross Point PCM"為題，發(fā)表在國際集成電路頂級(jí)期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs [vol. PP, no. 99, 2017]上。這是世界上首篇關(guān)于三維相變存儲(chǔ)器集成電路設(shè)計(jì)的文章。第一作者為博士生雷宇。

相變存儲(chǔ)器利用電脈沖誘導(dǎo)存儲(chǔ)材料在非晶態(tài)與晶態(tài)之間切換，具有非揮發(fā)性、循環(huán)壽命長、寫入速度快、穩(wěn)定性好、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，被業(yè)界認(rèn)為是下一代存儲(chǔ)技術(shù)的最佳解決方案之一。

三維集成技術(shù)通過芯片或器件在垂直方向的堆疊，可以顯著增加芯片集成度，是延續(xù)摩爾定律的一種重要技術(shù)。其中，一種交叉堆疊(cross point)的三維存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于非易失存儲(chǔ)器。英特爾和美光共同研發(fā)的3D Xpoint技術(shù)，即是基于三維交叉堆疊型相變存儲(chǔ)器。

當(dāng)前，三維新型非易失存儲(chǔ)器的研究主要集中在器件和陣列層面。與傳統(tǒng)的二維存儲(chǔ)器不同，三維相變存儲(chǔ)器采用了新型的雙向閾值開關(guān)(Ovonic Threshold Switch，OTS)器件作為選通器件(selector)。根據(jù)OTS器件的物理特性和三維交叉堆疊陣列結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，三維交叉堆疊型相變存儲(chǔ)器采用一種V/2偏置方法以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)單元的操作。 但V/2偏置方法和OTS器件導(dǎo)致陣列中諸多未被選擇的存儲(chǔ)單元的漏電。漏電導(dǎo)致讀出電路讀取正確率和讀出速度的下降。存儲(chǔ)器在進(jìn)行讀操作時(shí)，陣列中的寄生器件會(huì)降低讀取速度。二維存儲(chǔ)器中，這些器件主要集中在平面方向;但在三維存儲(chǔ)器中，垂直方向的寄生器件會(huì)進(jìn)一步降低讀取速度。 因此，對(duì)于影響三維存儲(chǔ)器讀操作各因素的量化分析和提高其速度的集成電路設(shè)計(jì)是必要的。

三維相變存儲(chǔ)器的具體工程細(xì)節(jié)屬商業(yè)機(jī)密，可參考資料較少。中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所雷宇等人首先設(shè)計(jì)了三維相變存儲(chǔ)器的陣列核心電路，再對(duì)三維相變存儲(chǔ)器的讀路徑進(jìn)行了分析，最終總結(jié)了影響三維相變存儲(chǔ)器讀操作的五種因素。這五種因素與三維存儲(chǔ)器陣列參數(shù)的量化關(guān)系也被指出。以此為基礎(chǔ)，論文提出了一種適用于三維存儲(chǔ)器的單參考和寄生匹配讀出電路。該電路采用變化參考電流，并對(duì)以上五種因素在讀方向和參考方向進(jìn)行了匹配。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，讀出時(shí)間比傳統(tǒng)方法縮短了79%，誤讀取個(gè)數(shù)下降了97%。

論文提出的讀出電路還可適用于其它三維交叉堆疊型非易失存儲(chǔ)器。并因讀出電路與陣列的設(shè)計(jì)參數(shù)直接相關(guān)，相關(guān)設(shè)計(jì)人員可根據(jù)其存儲(chǔ)器的容量，方便的設(shè)計(jì)出適用于不同容量存儲(chǔ)器的、高性能的讀出電路。

該論文在國際上首次歸納分析了對(duì)三維交叉堆疊型存儲(chǔ)器讀操作有影響的五種因素，提出了第一種與三維新型非易失存儲(chǔ)器陣列特性相關(guān)的讀出電路，也是世界上首篇關(guān)于三維相變存儲(chǔ)器集成電路設(shè)計(jì)的文章。

中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所信息功能材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是論文的第一單位，中國科學(xué)院大學(xué)是論文的第二單位。上海微系統(tǒng)所博士生雷宇為論文的第一作者，陳后鵬研究員為論文通訊作者，研究工作在宋志棠研究員的領(lǐng)導(dǎo)下展開。論文于2016年12月投出。該研究工作得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國家集成電路重大專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金、上海市科委等支持。