每生產一個打印機用的芯片，僅去掉電池一項，成本就能降低20%。中科院上海微系統與信息技術研究所信息功能材料國家重點實驗室主任宋志棠，興奮地給解放日報·上觀新聞記者算了一筆賬，他們聯合中芯國際集成電路制造（上海）有限公司和珠海艾派克微電子有限公司開發的相變存儲器芯片，無需像其他芯片一樣攜帶電池，大小不到1平方厘米，不僅增加了系統穩定性，更加環保，還節省了加工費，4個月來已完成銷售1600萬顆。這是國際上第一個嵌入式相變存儲器實現產業化的產品。
在上海微系統所的信息功能材料國家重點實驗室，解放日報·上觀新聞記者看到，同樣查詢98Mb的資料，安裝了這種相變存儲器的裝置，只需1秒鐘即可完成，而傳統存儲器驅動的裝置則需19秒。從率先在國內開展研發，到開發出中國第一款具有自主知識產權的相變存儲器芯片，再到真正實現產業化銷售，這條產學研之路整整走了14年。
下一代存儲技術的最佳解決方案之一
所謂“相變”，即物質從一種“相”變成另外一種“相”，例如水從液態轉化為固態。相變存儲器就是利用特殊材料在晶態和非晶態之間進行可逆轉變，實現信息的寫入和擦除，通過電阻變化實現數據讀出。相變存儲器具有非揮發性（斷電后儲存的資料不會消失）、循環壽命長、寫入速度快、穩定性好、功耗低等優點，被業界認為是下一代存儲技術的最佳解決方案之一。
集成電路產業是我國新型戰略性產業，半導體存儲器是該產業的重要組成部分，去年約占集成電路產業23%的市場份額。2016年全球存儲器產出5000多億元，我國就消耗了54.1%，大約有2800億元，但國產芯片的自給率還不足10%。一般通用的存儲器芯片有動態隨機存儲器和閃存兩種，占了95%的市場份額。由于計算機的交互傳輸，數據在其間不停地倒來倒去，動態隨機存儲器雖然速度快壽命長，但一斷電就沒有了；閃存雖可以保存數據，但速度慢壽命短。
能否找到一種低壓低功耗高速度的存儲器呢？其實早在上世紀七十年代，相變材料就被發現了，但一直沒有產業化，因為當時加工尺寸大，和集成電路不匹配。2003年，宋志棠萌生了研發相變存儲器的念頭。盡管這在國內還是一片空白，納米技術也剛剛起步，當時的所領導給予了大力支持，把這一項目列入了中科院創新研究工程。
第一款有自主知識產權的相變存儲器芯片
盡管一開始是基礎研究，但最難之處在于：必須在納米尺度下才能測出相變材料的屬性，也就是比頭發絲還要小100倍的存儲單元，才能發生可逆相變。其次，在相變的過程中，從非晶態到晶態，體積會縮小7%。面對這些困難，宋志棠團隊沒有放棄。既然要在納米尺度下才能做研究，那就干脆搭建了一個納米加工平臺，直到現在，這個平臺還面向長三角地區開放。體積會改變，那就改進工藝，改了上百次，終于得到了實現存儲的一個相變單元。期間，關于相變材料的基礎研究也取得了突破。
一個相變單元可以做到高效存儲，但一百個單元的納米陣列能否實現存儲還很難說。在一平方毫米的空間做出100萬個以上的存儲單元，這是一個工程化的研究過程，已經難以在實驗室里完成。宋志棠至今清晰記得，2007年1月的一個晚上，就在他煙霧繚繞的辦公室，中芯國際集成電路制造（上海）有限公司的兩位負責人，決定和上海微系統所一起組建“納米半導體存儲技術聯合實驗室”。在聯合攻關下，他們終于研制成功中國第一款具有自主知識產權的8Mb相變存儲器芯片，并實現全部存儲功能，成功實現音頻錄放功能演示，引起了國內外同行的廣泛關注。
這個時候距離產業化，盡管還差一口氣，但卻是關鍵的一步。宋志棠離開實驗室，到各地去推銷芯片。盡管這是一個新技術，但能否變成產品，很多企業都有疑慮，覺得不如使用現成的成熟技術，組裝了就能銷售。被無數家企業拒絕后，2012年12月，上海微系統所和珠海艾派克簽署了戰略合作協議，決定共同推進相變存儲器在打印機芯片中的應用。
“要成為老百姓用的商品，就要經受得住考驗。”宋志棠說，樣品交付時，先是放在200多攝氏度高溫的火里烤了一天，再一個個單元進行測試，錯誤率必須控制在千分之五。再拿到一百多臺打印機上去試驗，人為制造各種故障，錯誤率依然要控制在千分之五。就這樣，一個最初的科學想法，終于變成了一個批量化生產的商品。英特爾公司投入了200多億元實現相變存儲器的商用，而這支團隊只用了四五億元就實現了嵌入式相變存儲器的產業化。
相變存儲器在其他領域還有很大的空間
“就像城市里的高架一樣，一塊芯片有立體的6層，如果仔細解剖出來比地圖還復雜。”一直和材料打交道的宋志棠對芯片有著一種特殊感情。說起集成電路產業，他有些焦慮，因為許多國際知名公司都在大陸紛紛建廠，很多核心技術還掌握在他們手里。說起相變存儲器未來的應用，他又有了信心，因為現在的打印機用相變存儲器芯片實際只用了1Mb的存儲，而他們現在已經實現了128Mb，在其他領域還有很大的空間。
前方的路，還需跋涉。宋志棠說，接下來團隊將繼續推進嵌入式芯片的產業化，他將同時著手大容量高密度的獨立式相變存儲器的基礎研究。