挑戰(zhàn)傳統(tǒng)，打破限制，勇攀高峰，打破常規(guī)者們在尋求開創(chuàng)性解決方案的過程中重塑規(guī)則。繼SK海力士品牌短片《誰是打破常規(guī)者》播出后，將推出一系列文章，展示公司在重塑技術(shù)、重新定義行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方面采取的各種“打破常規(guī)”的創(chuàng)新舉措。本系列的最終篇將介紹SK海力士僅選擇器存儲器（SOM）的研發(fā)歷程。

人工智能與高性能計算（HPC）正以空前的速度發(fā)展，將動態(tài)隨機(jī)存取存儲器（DRAM）和NAND閃存等傳統(tǒng)存儲技術(shù)發(fā)揮到極致。為了滿足人工智能時代日益增長的需求，業(yè)界正在探索超越傳統(tǒng)存儲技術(shù)的新興存儲技術(shù)。

在這些新興存儲技術(shù)中，因其能夠填補DRAM和NAND閃存之間的性能差距，儲存級內(nèi)存（SCM，Storage-Class Memory）1已然成為關(guān)鍵的發(fā)展方向。了解到SCM的潛力后，SK海力士開發(fā)了僅選擇器存儲器（SOM，Selector-Only Memory）2。這項突破性的創(chuàng)新，重新定義了SCM，并增強(qiáng)了公司在面向AI的存儲產(chǎn)品陣容方面的實力。

1儲存級內(nèi)存（SCM，Storage-Class Memory）：一種新興的非易失性存儲技術(shù)，將DRAM的速度與NAND閃存的持久存儲能力相結(jié)合。在性能、成本和存儲容量方面，該技術(shù)彌補了DRAM和NAND閃存之間的差距。

2僅選擇器存儲器（SOM，Selector-Only Memory）：一種采用硫?qū)倩锉∧ぶ谱鞫傻慕徊纥c存儲器器件，可同時執(zhí)行選擇器和存儲器的功能。

Rulebreakers’ Revolutions系列最終篇文章將全面介紹SOM研發(fā)背后的歷程，以及SK海力士嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难邪l(fā)方法所起到的關(guān)鍵作用，同時探討此項技術(shù)對人工智能和高性能計算未來發(fā)展的影響。

使命：通過下一代SCM超越傳統(tǒng)存儲器

人工智能時代的到來引發(fā)了數(shù)據(jù)爆炸式增長。從大語言模型（LLMs）3到多模態(tài)AI（Multimodal AI）4，各類AI系統(tǒng)均需要高性能存儲器以實現(xiàn)快速訪問和處理海量數(shù)據(jù)，并執(zhí)行復(fù)雜計算。然而，想要實現(xiàn)這種下一代性能，必須在成本效益和能源效率之間取得平衡，這無疑對存儲技術(shù)提出了更高的要求。

3大語言模型（LLM）：以海量文本數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行訓(xùn)練的高級人工智能系統(tǒng)，能夠根據(jù)提供的上下文理解和生成類人文本。

4多模態(tài)AI（Multimodal AI）：一類機(jī)器學(xué)習(xí)模型，能夠處理和整合包括文本、音頻及視頻在內(nèi)的不同類型的數(shù)據(jù)。

為滿足日益增長的需求，高性能計算系統(tǒng)正逐步從傳統(tǒng)的以CPU為中心的架構(gòu)向以存儲為核心的架構(gòu)轉(zhuǎn)型。這些以存儲為中心的系統(tǒng)通過在存儲器中直接支持?jǐn)?shù)據(jù)處理，最大限度地減少了數(shù)據(jù)移動，從而顯著提升了系統(tǒng)性能和效率。

在這一轉(zhuǎn)變過程中，業(yè)界正在探索能夠超越傳統(tǒng)存儲能力的全新存儲技術(shù)。其中，作為一種有前景的解決方案，SCM應(yīng)運而生，有效填補了DRAM與NAND閃存之間的性能差距。作為一種非易失性存儲器，SCM兼具DRAM的速度和成本效益，以及NAND閃存的大容量。此外，CXL5技術(shù)的出現(xiàn)，使得存儲器與CPU、GPU和加速器等設(shè)備之間實現(xiàn)了無縫連接，為在高級計算中應(yīng)用SCM創(chuàng)造了新的機(jī)遇。

5CXL（Compute Express Link）：連接CPU、GPU、存儲器和其他組件的下一代接口，有效提高高性能計算系統(tǒng)的性能。

在了解這項技術(shù)的性能后，SK海力士接受了開發(fā)下一代SCM產(chǎn)品SOM的挑戰(zhàn)，該產(chǎn)品有望徹底改變行業(yè)格局。

SK海力士的SOM超越傳統(tǒng)存儲器，打破下一代存儲器壁壘

超越3DXP：以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难邪l(fā)與協(xié)作，解鎖SOM新篇章

在研發(fā) SOM之前，SK海力士曾通過另一項SCM技術(shù)——3D XPoint（3DXP）取得了巨大進(jìn)展。研發(fā)于2010年代中期的3DXP技術(shù)，是一項非易失性存儲技術(shù)，它利用相變存儲器（PCM, Phase-Change Memory）6，根據(jù)材料電阻狀態(tài)的變化來存儲數(shù)據(jù)。該技術(shù)采用無晶體管的交叉點架構(gòu)（Cross-Point Architecture）7，特點是在垂直引線的交點處布置選擇器（Selector）8和存儲單元。通過將3DXP存儲單元堆疊成無晶體管的三維架構(gòu)，該產(chǎn)品實現(xiàn)了高存儲密度。

6相變存儲器（PCM，Phase-Change Memory）：一種能夠?qū)崿F(xiàn)納米級非易失性電數(shù)據(jù)儲存的技術(shù)。PCM存儲轉(zhuǎn)換所采用的加熱材料，使其在非晶態(tài)和晶態(tài)之間轉(zhuǎn)換，此兩種狀態(tài)分別對應(yīng)二進(jìn)制數(shù)字的0和1。

7交叉點架構(gòu)（Cross-Point Architecture）：一種使數(shù)據(jù)存儲在網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)中兩條或多條線的“交叉點”處的存儲器架構(gòu)。

8選擇器（Selector）：在存儲陣列中，一個用于調(diào)節(jié)流向和流出存儲單元的電流的器件，幫助實現(xiàn)特定單元的精確訪問，同時阻斷不需要的路徑，以實現(xiàn)更準(zhǔn)確的讀取和寫入操作。

盡管3DXP具有一定潛力，但SK海力士發(fā)現(xiàn)當(dāng)它面向20納米級以上的工藝技術(shù)時，其可擴(kuò)展性會遭遇瓶頸。因此，公司將重心轉(zhuǎn)向了具有替代性的下一代SCM產(chǎn)品。公司著手研發(fā)了SOM，這是一種開創(chuàng)性的交叉點存儲器件。該器件采用了一種名為雙功能材料（DFM，Dual-Functional Material）的單層硫?qū)倩铮–halcogenide）9薄膜，能夠同時實現(xiàn)選擇器和存儲器的功能。與3DXP技術(shù)相比，SOM無需單獨設(shè)置選擇器和PCM。換而言之，SOM中的選擇器無需配備獨立存儲單元，從而提升了選擇器的功能性。此外，SOM采用了優(yōu)化的交叉點陣列，使其具有更低的存儲單元堆疊縱橫比（Aspect Ratio）10，以實現(xiàn)更好的可拓展性和更大的存儲密度。

9硫?qū)倩铮–halcogenide）：一種由至少一個硫?qū)訇庪x子（如硫）和一個電正性元素（如金屬）組成的化學(xué)化合物。

10縱橫比（Aspect Ratio）：存儲單元的高度與寬度的比例。

與3DXP技術(shù)相比，最大的變化之一是用雙功能材料（DFM）替代相變材料。這一轉(zhuǎn)變使得SOM具備了先進(jìn)的規(guī)格。首先，與相變材料不同，DFM不需要時間來執(zhí)行相變，因此其寫入速度得到了顯著提升。盡管相變材料在相變過程中需要高寫入電流來進(jìn)行焦耳加熱，但使用DFM可以顯著降低所需的寫入電流。此外，DFM在高溫下運行時表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性，有效減少了熱干擾（Thermal Disturbance）11。相較于相變材料，DFM提升后的耐熱性確保了其具有更優(yōu)異的循環(huán)耐久性，從而提高了整體的耐用性。

11熱干擾（Thermal Disturbance）：一種現(xiàn)象，對一個存儲單元進(jìn)行編程時產(chǎn)生的熱量，由于熱擴(kuò)散而意外影響了相鄰單元的狀態(tài)，從而可能破壞數(shù)據(jù)的完整性。

SOM用DFM取代3DXP技術(shù)所采用的相變材料

如果沒有SK海力士嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难邪l(fā)態(tài)度和高效的內(nèi)部協(xié)作，SOM的成功開發(fā)將難以實現(xiàn)。例如，公司在研究基于硫?qū)倩锏倪x擇器和存儲器材料時發(fā)現(xiàn)了DFM。通過采用全新的雙極運行模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單極運行方式，團(tuán)隊成功地同時實現(xiàn)了選擇器和存儲器的功能特性。

相較于開發(fā)前的預(yù)期，SK海力士在研發(fā)過程中大幅降低了SOM的功耗。當(dāng)傳統(tǒng)優(yōu)化方法被證實不足以滿足需求時，公司決定全面審視材料、設(shè)計和運行算法。為此，各個研究團(tuán)隊齊心協(xié)力，共同推進(jìn)該項目，并探索新方法。通過模擬測試，他們評估了新材料和運行技術(shù)的應(yīng)用情況，有效解決了所有潛在問題。這一嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^程使功耗相比初步預(yù)測降低了約三分之一，是SOM開發(fā)過程中的一項關(guān)鍵進(jìn)展。

揭秘全球最小的SOM

SK海力士成功研發(fā)出全球最小的SOM，這是首個全集成（Fully Integrated）12的16nm半間距（Half-Pitch）13 SOM產(chǎn)品。在備受矚目的2024年度IEEE VLSI技術(shù)與電路研討會（2024 VLSI Symposium）上，這一在SCM領(lǐng)域具有革命性意義的成果正式發(fā)布。

12全集成（Fully Integrated）：與學(xué)術(shù)研究中基本的單個存儲單元原型不同，在單元陣列級別實現(xiàn)電路和制造工藝的完全集成。

13半間距（Half-Pitch）：在一個半導(dǎo)體中，互連線之間最小中心距離的一半。

與3DXP技術(shù)相比，SOM的寫入速度從500納秒（ns）縮短至30納秒，寫入電流也從100微安（μA）降低到20微安。此外，循環(huán)耐久性從1000萬次提升至超過1億次，這一數(shù)據(jù)充分體現(xiàn)了SOM在耐用性方面的顯著增強(qiáng)。此外，SOM還具備出色的持久性，能夠在極端條件下有效保留數(shù)據(jù)。測試結(jié)果表明，在125°C的高溫環(huán)境中，它仍能保持?jǐn)?shù)據(jù)存儲時間超過10年。

SOM提供了從超快的寫入速度到卓越的數(shù)據(jù)持久性等方面的突出性能

值得關(guān)注的是，這款16nm的SOM是目前市場上最小、最具可拓展性和高性能的交叉點存儲解決方案。隨著人工智能領(lǐng)域的不斷發(fā)展，SOM的成功研發(fā)鞏固了SK海力士在面向AI的存儲器領(lǐng)域的主導(dǎo)地位，與HBM、AiMX以及CMM-DDR5等產(chǎn)品形成了良好的互補。

展望未來，針對SOM的研究將極大地推動下一代存儲技術(shù)的廣泛進(jìn)步。其影響力已延伸至蓬勃發(fā)展的異構(gòu)集成領(lǐng)域，使得專為AI數(shù)據(jù)中心及諸多AI解決方案供應(yīng)商量身定制的創(chuàng)新系統(tǒng)集成方法得以實現(xiàn)。隨著計算架構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)向以存儲為中心的計算模式，SOM的技術(shù)革新將在塑造人工智能和高性能計算未來方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

打破常規(guī)者專訪：

全球RTC，金明燁TL

為了進(jìn)一步了解SK海力士在SOM開發(fā)方面的創(chuàng)新方法，本文采訪了全球革命性技術(shù)中心（Global RTC, Global Revolutionary Technology Center）（負(fù)責(zé)下一代半導(dǎo)體研發(fā)工作）的金明燁TL。他分享了在開發(fā)SOM過程中所面臨的主要挑戰(zhàn)，以及員工們所采用的打破常規(guī)的思維方式。

Q：在SOM開發(fā)過程中，您面臨的主要挑戰(zhàn)是什么？

A：“主要挑戰(zhàn)在于決定成為行業(yè)的先行者，著手研發(fā)全球首款16nm半間距的SOM。這一過程涉及從專注于傳統(tǒng)基于PCRAM的3DXP存儲器，過渡到同時為SOM的可拓展性和性能優(yōu)勢做好充分準(zhǔn)備，這其中蘊含著諸多不確定性。”

Q：在主導(dǎo)SOM研發(fā)工作的過程中，你最自豪的時刻是什么？

A：“在2022年的IEEE國際電子器件會議（IEDM）上，我們率先在業(yè)內(nèi)提出了SOM潛在的性能和可拓展性優(yōu)勢。隨后，在2024年的超大規(guī)模集成電路（VLSI）國際研討會上，這些主張得到了有力驗證。那一刻，我感到無比自豪。會議中，我們展示了全球首款全工藝集成且半間距為16nm的SOM研究成果，成功實現(xiàn)了業(yè)內(nèi)的最小尺寸?！?/p>

Q：SK海力士企業(yè)文化的哪些方面，有助于激發(fā)創(chuàng)造力并克服局限性？

A：“首先，SK海力士的新行為準(zhǔn)則是基于SK管理體系（SKMS）中的VWBE14價值觀，及SUPEX15原則而建立的。尤其值得一提的是‘提升標(biāo)準(zhǔn)’和‘一個團(tuán)隊’協(xié)作理念，前者鼓勵員工在追求卓越的過程中不斷設(shè)定更高的標(biāo)準(zhǔn)，后者則倡導(dǎo)成員們將彼此視為一個團(tuán)隊緊密協(xié)作。正是因為這些指導(dǎo)原則，使我們持續(xù)展現(xiàn)出無盡的創(chuàng)造力，不斷實現(xiàn)突破性的成就?！?/p>

14自覺自愿地發(fā)揮才智（VWBE, Voluntarily and Willing Brain Engagement）：是SK管理體系（SKMS）中強(qiáng)調(diào)的員工價值觀之一。

15SUPEX：SK海力士的“SUPEX”理念蘊含著實現(xiàn)“人類可以達(dá)到的最佳水平”的意義，代表了公司實現(xiàn)盡可能高水準(zhǔn)的使命。

“總之，我認(rèn)為創(chuàng)新的秘訣是：以挑戰(zhàn)精神擁抱新變化；在不確定面前勇于嘗試、不懼失敗，并靈活地汲取新知?！?/p>