在 AI 大模型与边缘计算爆发的当下，存储芯片已成为制约产业自主可控的关键环节。长期以来，三维相变存储的核心开关材料被海外巨头垄断，而中国科学院上海微系统所（上海微系统所）宋志棠、朱敏团队于2020年取得的自主硫基OTS（双向阈值开关）材料研发成果，打破了国外专利壁垒。该成果经测试核心性能对标国际顶尖水平，为国产三维相变存储规模化落地扫清障碍，AI 边缘存储自主可控迎来关键拐点。
卡脖子环节突破：国产硫基 OTS 材料打破垄断
三维相变存储（3D PCM）是下一代高性能存储的核心方向，兼具高速读写、高存储密度与低功耗优势，被视为填补内存与闪存性能鸿沟的核心技术。而 OTS 开关材料，正是三维相变存储的"核心闸门"——负责解决高密度交叉阵列的串扰问题，直接决定存储芯片的速度、寿命与稳定性。
此前，英特尔、美光凭借碲基/硒基OTS材料形成专利壁垒，英特尔基于砷基OTS技术在2017年实现四层256Gb三维相变存储（傲腾）量产，长期垄断高端存储芯片市场。国内虽已实现相变存储小规模量产，但仅停留在Mb量级，高密度三维化发展受限于海外材料封锁。
此次上海微系统所团队另辟蹊径，突破传统硒/碲基材料路线，成功研发自主硫基OTS材料，成为全球OTS三大开关材料（碲基/硒基/硫基）之一，彻底打破海外垄断。该成果先后发表于《Nature Communications》等国际顶级期刊，核心专利完成布局，更入选2022年度中国科学十大进展（项目名称："新原理开关器件为高性能海量存储提供新方案"），技术权威性获国家级认可。
OTS开关材料三大技术路线演化树｜来源：中科院上海微系统所2024官网综述、《Nano-Micro Letters》期刊官方配图
核心性能领跑：纳秒级响应、高耐久，对标国际顶尖水平
作为三维存储的"智能门卫"，OTS材料需同时满足"漏电流小、开关速度快、驱动电流大、寿命长"四大核心要求。上海微系统所硫基OTS器件经测试，各项性能指标达到国际领先水平：
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指标 |
数值 |
说明 |
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开关速度 |
10ns/100ns |
纳秒级读写响应，匹配AI边缘端实时数据处理需求 |
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驱动电流密度 |
≥34 MA/cm² |
可支撑高密度存储阵列稳定运行，适配三维堆叠结构 |
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循环寿命 |
>10⁸次（优化后达10¹⁰次） |
远超行业主流标准，满足工业控制、车载等长周期应用场景 |
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热稳定性 |
耐受450℃后道工艺热冲击 |
抑制电压漂移，适配芯片规模化制造的高温工艺环境 |
对比来看，英特尔傲腾采用商业化成熟的砷基OTS材料，产业落地成熟；而中科院硫基材料通过"高杂化率设计+缺陷态精准调控+砷含量优化"，在开关速度、热稳定性、使用寿命三大关键指标上形成差异化优势，且具备完全自主知识产权，规避海外专利壁垒。
应用场景全面落地：AI边缘端、工业控制、嵌入式存储全覆盖
国产硫基OTS材料的突破，直接推动三维相变存储从实验室走向产业化，精准匹配AI时代多元存储需求：
AI边缘计算：边缘服务器、智能终端、物联网设备需高速、低功耗存储支撑实时推理，三维相变存储凭借纳秒级读写、高带宽优势，可大幅提升边缘AI响应速度，降低算力损耗
嵌入式存储：智能手机、可穿戴设备、智能家居等终端设备，对存储密度、功耗、体积要求严苛，三维堆叠结构可在小尺寸下实现大容量存储
工业控制与车载电子：工业传感器、自动驾驶、轨道交通等场景，需存储芯片具备高稳定性、长寿命、抗极端环境能力
数据中心缓存：作为内存与闪存之间的缓存层，三维相变存储可平衡速度与容量，降低数据中心存储功耗
国产替代加速：从材料自主到产业突围
长期以来，我国高端存储芯片依赖进口，三维相变存储核心材料、专利、制造技术均被海外把控。上海微系统所硫基OTS材料的突破，标志着我国在三维高密度存储核心材料领域实现从跟跑到领跑的跨越：
打破专利垄断：自主硫基路线避开传统碲/硒/砷基技术壁垒，构建完整自主知识产权体系
降低产业化门槛：核心材料自主可控，可大幅降低国产三维相变存储的研发与生产成本
支撑AI产业自主：AI边缘存储是国产AI产业自主可控的关键环节，核心存储技术突围筑牢产业链安全底座
当前，国内已有多家企业启动三维相变存储产业化布局，随着OTS核心材料瓶颈的突破，国产三维相变存储有望在未来数年内实现小规模量产，逐步替代海外产品。
结语
从无到有、从跟跑到领跑，上海微系统所硫基OTS材料的突破，不仅是存储材料领域的重大技术跨越，更是我国高端芯片自主可控进程中的关键一步。未来，随着技术持续迭代与产业化加速，国产三维相变存储有望在AI边缘计算、工业控制、数据中心等领域广泛应用，为我国数字经济发展筑牢"存储底座"。
