相變化內(nèi)存(Phase Change Memory，PCM)是一項(xiàng)全新的內(nèi)存技術(shù),，目前有多家公司在從事該技術(shù)的研發(fā)活動(dòng),。這項(xiàng)技術(shù)集當(dāng)今揮發(fā)性內(nèi)存和非揮發(fā)性內(nèi)存兩大技術(shù)之長(zhǎng)，為系統(tǒng)工程師提供極具吸引力的技術(shù)特性和功能,。工程師無需再費(fèi)時(shí)解決過去幾年必須設(shè)法克服的所謂內(nèi)存技術(shù)的奇怪特性,。因此，當(dāng)采用NOR或NAND閃存設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí),，工程師必須掌握許多變通技巧,。

由于相變化內(nèi)存簡(jiǎn)單易用，設(shè)計(jì)人員可以把以前的奇怪東西全部忘掉,。相變化內(nèi)存還有助于大幅縮短產(chǎn)品上市時(shí)間,，提高系統(tǒng)效能和編碼容量，降低產(chǎn)品成本,。應(yīng)用設(shè)計(jì)通常需要RAM內(nèi)存芯片以補(bǔ)償閃存的慢速且錯(cuò)綜復(fù)雜的程序設(shè)計(jì)協(xié)議,。在改用相變化內(nèi)存后,，還能降低許多設(shè)計(jì)對(duì)RAM芯片的容量要求，甚至根本不再需要RAM芯片,。因此設(shè)計(jì)人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在許多設(shè)計(jì)狀況中把現(xiàn)有設(shè)計(jì)的閃存改由相變化內(nèi)存取代的確是非常值得一試的,。

為什么選用相變化內(nèi)存

為什么相變化內(nèi)存很有前景，為什么現(xiàn)在正式接近量產(chǎn)?提出這兩個(gè)問題有很多理由,。時(shí)至今日,，相變化內(nèi)存尚未在市場(chǎng)上蓬勃發(fā)展的最大原因是，現(xiàn)有內(nèi)存技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)高于任何 新的替代技術(shù),。這是每項(xiàng)新技術(shù)進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)都必須面臨的狀況,，也有許多新技術(shù)因而在初引入時(shí)被擋在市場(chǎng)大門外。

對(duì)于特定的工藝技術(shù),，這些替代內(nèi)存與目前成功的傳統(tǒng)競(jìng)品相比,，不是芯片面積更大，就是晶圓制造成本極高,。在向來以成本為王的內(nèi)存市場(chǎng)上,，若想替代現(xiàn)有技術(shù)，制造成本高的芯片幾乎沒有勝算,。不過這種局面很快會(huì)被打破,，因?yàn)樵诮窈髱啄辏嘧兓瘍?nèi)存與DRAM的成本差距將會(huì)變小,。

正面來說,，幾個(gè)原因使得相變化內(nèi)存在近期引起市場(chǎng)相當(dāng)大的關(guān)注,。首先,，材料技術(shù)在過去十年取得長(zhǎng)足進(jìn)步，現(xiàn)在制造生產(chǎn)相變化內(nèi)存需要的高純度薄膜的可行性較以前提高很多,。而且,，相變化內(nèi)存需要的硫系材料也取得很多突破性進(jìn)展，現(xiàn)在被用于大規(guī)模制造CD-R和CD-RW光盤,。

同時(shí),，科學(xué)家對(duì)這些材料的物理性質(zhì)的了解也取得相當(dāng)大的進(jìn)步。工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)縮小也發(fā)揮了相應(yīng)的作用：在過去,，被加熱材料的面積相對(duì)較大,，改變一次相變化狀態(tài)需要相當(dāng)大的能量。隨著工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)縮小,，以前像一片海洋的加熱材料,，現(xiàn)在變得像一個(gè)浴盆大小。

最后,，業(yè)界普遍接受閃存即將達(dá)到技術(shù)節(jié)點(diǎn)極限的觀點(diǎn),，也驅(qū)動(dòng)了后續(xù)技術(shù)研發(fā)活動(dòng)以超越這個(gè)極限,。盡管閃存升級(jí)極限被向后推遲多年，但是所有閃存廠商都承認(rèn),，閃存無法升級(jí)到下一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的時(shí)代很快就會(huì)到來,，屆時(shí)閃存產(chǎn)業(yè)將必須改變技術(shù)。

圖1描述了閃存升級(jí)極限后的現(xiàn)象：儲(chǔ)存在一個(gè)閃存位內(nèi)的電子的數(shù)量在逐步減少,。在大約八年后,，當(dāng)NAND和NOR其中一種閃存升級(jí)到10nm工藝節(jié)點(diǎn)前，每位所儲(chǔ)存的電子數(shù)不到10個(gè),。

對(duì)于一個(gè)多級(jí)單元架構(gòu)(MLC),，在一個(gè)多噪聲的環(huán)境內(nèi)，10個(gè)電子數(shù)量太少,，無法儲(chǔ)存多位數(shù)據(jù),，實(shí)際要求每位電子數(shù)量接近100個(gè)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于10個(gè),。即使達(dá)到這個(gè)指標(biāo),，如此少的電子數(shù)量使其很難達(dá)到現(xiàn)有應(yīng)用的可靠性要求。

相變化內(nèi)存已經(jīng)上市銷售,。三星(Samsung)于2004年發(fā)布一個(gè)PRAM原型,，是第一個(gè)即將投產(chǎn)的相變化內(nèi)存。不久之后,，恒憶(Numonyx)推出了一個(gè)相變化內(nèi)存原型,，在2008年底前，已開始限量出貨,。從2006年起,，BAE系統(tǒng)公司一直在航天航空市場(chǎng)出售C-RAM芯片，這個(gè)市場(chǎng)十分關(guān)注相變化內(nèi)存,，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)能夠抵抗阿爾法粒子輻射引起的數(shù)據(jù)位錯(cuò)誤,。

試用過這些芯片的設(shè)計(jì)人員表示，當(dāng)使用比較老的傳統(tǒng)的內(nèi)存技術(shù)時(shí),，他們必須解決很多技術(shù)難題,，而這項(xiàng)技術(shù)正好能夠協(xié)助他們根除這些問題。

在一個(gè)典型的系統(tǒng)中,，非揮發(fā)性內(nèi)存和RAM內(nèi)存都會(huì)被用到,，前者用于保存編碼，后者用作高速緩存,，有時(shí)也用于儲(chǔ)存其它編碼,。為了避免使程序員處理不同類型的記憶體，操作系統(tǒng)隱藏了各類內(nèi)存間的差異,，以對(duì)其它程序透明的方式,，執(zhí)行對(duì)揮發(fā)性內(nèi)存和非揮發(fā)性內(nèi)存的管理任務(wù),，而這大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

即便有了這種輔助功能,，當(dāng)使用只讀編碼儲(chǔ)存空間儲(chǔ)存編碼,，以只讀數(shù)據(jù)儲(chǔ)存空間儲(chǔ)存數(shù)據(jù)時(shí)，程序員還是受限某些限制,。如果編碼或數(shù)據(jù)量大于內(nèi)存的容量,，即便超出一個(gè)字節(jié)，那部分儲(chǔ)存空間就必須擴(kuò)大一倍,，導(dǎo)致價(jià)格大幅提升,。在某些狀況下，使用基于相變化內(nèi)存的系統(tǒng)就可以避免這個(gè)問題,。

相變化內(nèi)存改變了游戲規(guī)則,。編碼和數(shù)據(jù)不必再分開儲(chǔ)存在非揮發(fā)性內(nèi)存和RAM的兩個(gè)容量固定的模塊內(nèi)。編碼和數(shù)據(jù)可以保存在一個(gè)內(nèi)存內(nèi),。對(duì)于小型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員,，這種方法可以減少芯片數(shù)量，降低功耗,。讀寫內(nèi)存和只讀存儲(chǔ)器之間不再有固定的界限,，對(duì)于小型系統(tǒng)和大型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員是莫大的福音。

閃存的復(fù)雜之處

閃存很難管理,。曾有設(shè)計(jì)工程師形容管理閃存的過程是一種“非常復(fù)雜的舞蹈”,。曾經(jīng)采用NAND或NOR閃存設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工程師可以證實(shí)這點(diǎn)，閃存管理需要考慮許多因素,，例如：損耗均衡,、讀寫同步和壞塊管理，這使閃存管理任務(wù)變得極其復(fù)雜,。

與基于閃存的設(shè)計(jì)相比,，相變化內(nèi)存帶來的問題非常少。相變化內(nèi)存支持位元組修改功能,，因此沒有NAND和NOR閃存的寫入之前需先擦除區(qū)塊的步驟，因而大幅簡(jiǎn)化了寫入操作,。在相變化內(nèi)存內(nèi),，邏輯1可以變?yōu)檫壿?，反之亦然;所以在寫入操作之前無需進(jìn)行一次擦除操作,，相變化內(nèi)存的寫入操作更類似于RAM,，而不像NAND或NOR閃存。

相變化內(nèi)存寫入操作速度快,，無需NAND或NOR的擦除操作,。因此,，不再需要同步讀寫功能，程序設(shè)計(jì)師幾乎不必再寫專門的編碼,，以防止在最新的寫入操作附近發(fā)生讀取操作,。

相變化內(nèi)存的隨機(jī)尋址類似于NOR或SRAM，非常符合處理器的要求,。此外,，相變化內(nèi)存不需要NAND閃存的錯(cuò)誤校驗(yàn)功能，因?yàn)橄嘧兓瘍?nèi)存能夠保證所有位保存的數(shù)據(jù)與寫入的數(shù)據(jù)完全相同,。

相變化內(nèi)存根本不需要閃存管理所需的全部算法,，例如：損耗均衡和壞塊管理。有人稱相變化內(nèi)存是“最適合韌體/軟件工程師用的非揮發(fā)性內(nèi)存”,。相變化記憶體另外還有一個(gè)好處：編碼儲(chǔ)存區(qū)和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存區(qū)之間的界限比以前更加靈活,。在今日的設(shè)計(jì)中，每個(gè)內(nèi)存應(yīng)用都需要自己獨(dú)有的內(nèi)存拓?fù)?，通常是?/p>

_NOR和SRAM

_NOR+NAND和SRAM或PSRAM

_NOR或NAND+DRAM或移動(dòng)SDRAM

這些系統(tǒng)很少用非揮發(fā)性內(nèi)存保存臨時(shí)數(shù)據(jù),，也從來不用RAM保存編碼，因?yàn)樵谌绻麤]電RAM就會(huì)失去全部?jī)?nèi)容,。相變化內(nèi)存有助于簡(jiǎn)化這些配置,，保存數(shù)據(jù)和編碼可以只用單一相變化內(nèi)存芯片或一個(gè)PCM數(shù)組，在一般情況下就不再需要將非揮發(fā)性內(nèi)存芯片搭配RAM芯片使用,。

相變化內(nèi)存還有一個(gè)好處,，程序員現(xiàn)在只需考慮編碼量和數(shù)據(jù)量，而不必?fù)?dān)心編碼和數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存空間是兩個(gè)分開的儲(chǔ)存區(qū),。如果數(shù)據(jù)儲(chǔ)存空間增加幾個(gè)字節(jié),，還可以從編碼儲(chǔ)存空間“借用”儲(chǔ)存空間，這在除相變化內(nèi)存以外的其它任何拓?fù)渲卸际遣豢赡艿摹?/p>

相變化內(nèi)存的工作原理

相變化內(nèi)存有晶體和非晶體兩種狀態(tài),，正是利用這種特殊材料的變化狀態(tài)決定數(shù)據(jù)位是1還是0,。和利用液晶的方向阻擋光線或傳遞光線的液晶顯示器同樣原理，在相變化內(nèi)存內(nèi),，儲(chǔ)存數(shù)據(jù)位的硫系玻璃可以允許電流通過(晶態(tài)),，或是阻止電流通過(非晶態(tài))。

在相變化內(nèi)存的每個(gè)位的位置都有一個(gè)微型加熱器,，通過熔化然后再冷卻硫系玻璃,，來促進(jìn)晶體成長(zhǎng)或禁止晶體成長(zhǎng)，每個(gè)位就會(huì)在晶態(tài)與非晶態(tài)之間轉(zhuǎn)換,。設(shè)定的脈沖信號(hào)將溫度升高到玻璃熔化的溫度,，并維持在這個(gè)溫度一段時(shí)間;一旦晶體開始生長(zhǎng)，就立即降低溫度,。一個(gè)復(fù)位脈沖將溫度升高,，然后在熔化材料形成晶體前快速降低溫度,，這個(gè)過程在該位位置上產(chǎn)生一個(gè)非晶或不導(dǎo)電的材料結(jié)構(gòu)(圖2)。

加熱器的尺寸非常小,，能夠快速加熱微小的硫系材料的位置,，加熱時(shí)間在納秒量級(jí)內(nèi)，這個(gè)特性準(zhǔn)許進(jìn)行快速寫入操作,、防止讀取操作干擾相鄰的數(shù)據(jù)位,。此外，加熱器的尺寸隨著工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)縮小而變小,，因此與采用大技術(shù)節(jié)點(diǎn)的上一代相變化內(nèi)存相比,，采用小技術(shù)節(jié)點(diǎn)相變化內(nèi)存更容易進(jìn)行寫入操作。相變化內(nèi)存技術(shù)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)極限遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于NAND和NOR閃存(圖3),。

相變化內(nèi)存的讀寫速度可媲美閃存,，將來會(huì)接近DRAM的速度。從系統(tǒng)架構(gòu)角度看,，相變化內(nèi)存的優(yōu)點(diǎn)是沒有擦除過程,，每個(gè)位都可以隨時(shí)單獨(dú)置位或復(fù)位，不會(huì)影響其它的數(shù)據(jù)位,，這一點(diǎn)突破了NAND和NOR閃存的區(qū)塊擦除限制,。

內(nèi)存芯片價(jià)格取決于制造成本，Objective Analysis估計(jì),。相變化內(nèi)存制造商將會(huì)把制造成本逐步降至競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)的水平,。相變化內(nèi)存的每gigabyte價(jià)格是DRAM的大約25倍，但相變化內(nèi)存的儲(chǔ)存單元比最先進(jìn)的DARM的儲(chǔ)存單元更小,，所以一旦工藝和芯片達(dá)到DRAM的水平時(shí),，相變化內(nèi)存的制造成本將能夠降到DRAM成本之下。

隨著工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)和晶圓直徑達(dá)到DRAM的水平,，芯片產(chǎn)量足以影響規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益,，預(yù)計(jì)到2015至2016年，相變化內(nèi)存的每GB(gigabyte)價(jià)格將低于DRAM的平均價(jià)格,。雖然相變化內(nèi)存向多層單元(multi-level cells)進(jìn)化,，該技術(shù)制造成本將會(huì)降至DRAM價(jià)格的二分之一以下，從而成為繼NAND之后第二個(gè)成本最低的技術(shù),。再早關(guān)注相變化內(nèi)存技術(shù)也不算早,。我們知道閃存正在接近其不可避免的技術(shù)升級(jí)的極限，相變化內(nèi)存等技術(shù)必將取而代之,。相變化內(nèi)存廠商透露，在2015年左右,，這項(xiàng)技術(shù)的價(jià)格將會(huì)與DRAM的價(jià)格持平,，屆時(shí)相變化內(nèi)存將開啟一個(gè)全新的內(nèi)存系統(tǒng)設(shè)計(jì)思維方式,。