相變化內(nèi)存(Phase Change Memory，PCM)是一項全新的內(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。這項技術(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，為系統(tǒng)工程師提供極具吸引力的技術(shù)特性和功能。工程師無需再費時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)計系統(tǒng)時，工程師必須掌握許多變通技巧。
由于相變化內(nèi)存簡單易用，設(shè)計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)計通常需要RAM內(nèi)存芯片以補償閃存的慢速且錯綜復(fù)雜的程序設(shè)計協(xié)議。在改用相變化內(nèi)存后，還能降低許多設(shè)計對RAM芯片的容量要求，甚至根本不再需要RAM芯片。因此設(shè)計人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在許多設(shè)計狀況中把現(xiàn)有設(shè)計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)?提出這兩個問題有很多理由。時至今日，相變化內(nèi)存尚未在市場上蓬勃發(fā)展的最大原因是，現(xiàn)有內(nèi)存技術(shù)的經(jīng)濟效益遠高于任何 新的替代技術(shù)。這是每項新技術(shù)進入市場時都必須面臨的狀況，也有許多新技術(shù)因而在初引入時被擋在市場大門外。
對于特定的工藝技術(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被打破，因為在今后幾年，相變化內(nèi)存與DRAM的成本差距將會變小。
正面來說，幾個原因使得相變化內(nèi)存在近期引起市場相當(dāng)大的關(guān)注。首先，材料技術(shù)在過去十年取得長足進步，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展，現(xiàn)在被用于大規(guī)模制造CD-R和CD-RW光盤。
同時，科學(xué)家對這些材料的物理性質(zhì)的了解也取得相當(dāng)大的進步。工藝技術(shù)節(jié)點縮小也發(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)點縮小，以前像一片海洋的加熱材料，現(xiàn)在變得像一個浴盆大小。
最后，業(yè)界普遍接受閃存即將達到技術(shù)節(jié)點極限的觀點，也驅(qū)動了后續(xù)技術(shù)研發(fā)活動以超越這個極限。盡管閃存升級極限被向后推遲多年，但是所有閃存廠商都承認，閃存無法升級到下一個技術(shù)節(jié)點的時代很快就會到來，屆時閃存產(chǎn)業(yè)將必須改變技術(shù)。
圖1描述了閃存升級極限后的現(xiàn)象：儲存在一個閃存位內(nèi)的電子的數(shù)量在逐步減少。在大約八年后，當(dāng)NAND和NOR其中一種閃存升級到10nm工藝節(jié)點前，每位所儲存的電子數(shù)不到10個。
對于一個多級單元架構(gòu)(MLC)，在一個多噪聲的環(huán)境內(nèi)，10個電子數(shù)量太少，無法儲存多位數(shù)據(jù)，實際要求每位電子數(shù)量接近100個，遠遠高于10個。即使達到這個指標，如此少的電子數(shù)量使其很難達到現(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PRAM原型，是第一個即將投產(chǎn)的相變化內(nèi)存。不久之后，恒憶(Numonyx)推出了一個相變化內(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出售C-RAM芯片，這個市場十分關(guān)注相變化內(nèi)存，因為這項技術(shù)能夠抵抗阿爾法粒子輻射引起的數(shù)據(jù)位錯誤。
試用過這些芯片的設(shè)計人員表示，當(dāng)使用比較老的傳統(tǒng)的內(nèi)存技術(shù)時，他們必須解決很多技術(shù)難題，而這項技術(shù)正好能夠協(xié)助他們根除這些問題。
在一個典型的系統(tǒng)中，非揮發(fā)性內(nèi)存和RAM內(nèi)存都會被用到，前者用于保存編碼，后者用作高速緩存，有時也用于儲存其它編碼。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，以對其它程序透明的方式，執(zhí)行對揮發(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)使用只讀編碼儲存空間儲存編碼，以只讀數(shù)據(jù)儲存空間儲存數(shù)據(jù)時，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，即便超出一個字節(jié)，那部分儲存空間就必須擴大一倍，導(dǎo)致價格大幅提升。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)不必再分開儲存在非揮發(fā)性內(nèi)存和RAM的兩個容量固定的模塊內(nèi)。編碼和數(shù)據(jù)可以保存在一個內(nèi)存內(nèi)。對于小型系統(tǒng)的設(shè)計人員，這種方法可以減少芯片數(shù)量，降低功耗。讀寫內(nèi)存和只讀存儲器之間不再有固定的界限，對于小型系統(tǒng)和大型系統(tǒng)的設(shè)計人員是莫大的福音。
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)計系統(tǒng)的工程師可以證實這點，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閃存的錯誤校驗功能，因為相變化內(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好處：編碼儲存區(qū)和數(shù)據(jù)儲存區(qū)之間的界限比以前更加靈活。在今日的設(shè)計中，每個內(nèi)存應(yīng)用都需要自己獨有的內(nèi)存拓撲，通常是：
_NOR和SRAM
_NOR+NAND和SRAM或PSRAM
_NOR或NAND+DRAM或移動SDRAM
這些系統(tǒng)很少用非揮發(fā)性內(nèi)存保存臨時數(shù)據(jù)，也從來不用RAM保存編碼，因為在如果沒電RAM就會失去全部內(nèi)容。相變化內(nèi)存有助于簡化這些配置，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)存還有一個好處，程序員現(xiàn)在只需考慮編碼量和數(shù)據(jù)量，而不必擔(dān)心編碼和數(shù)據(jù)的儲存空間是兩個分開的儲存區(qū)。如果數(shù)據(jù)儲存空間增加幾個字節(jié)，還可以從編碼儲存空間“借用”儲存空間，這在除相變化內(nèi)存以外的其它任何拓撲中都是不可能的。
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)存的每個位的位置都有一個微型加熱器，通過熔化然后再冷卻硫系玻璃，來促進晶體成長或禁止晶體成長，每個位就會在晶態(tài)與非晶態(tài)之間轉(zhuǎn)換。設(shè)定的脈沖信號將溫度升高到玻璃熔化的溫度，并維持在這個溫度一段時間;一旦晶體開始生長，就立即降低溫度。一個復(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，這個過程在該位位置上產(chǎn)生一個非晶或不導(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，加熱時間在納秒量級內(nèi)，這個特性準許進行快速寫入操作、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)點縮小而變小，因此與采用大技術(shù)節(jié)點的上一代相變化內(nèi)存相比，采用小技術(shù)節(jié)點相變化內(nèi)存更容易進行寫入操作。相變化內(nèi)存技術(shù)的技術(shù)節(jié)點極限遠遠小于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)點是沒有擦除過程，每個位都可以隨時單獨置位或復(fù)位，不會影響其它的數(shù)據(jù)位，這一點突破了NAND和NOR閃存的區(qū)塊擦除限制。
內(nèi)存芯片價格取決于制造成本，Objective Analysis估計。相變化內(nèi)存制造商將會把制造成本逐步降至競爭技術(shù)的水平。相變化內(nèi)存的每gigabyte價格是DRAM的大約25倍，但相變化內(nèi)存的儲存單元比最先進的DARM的儲存單元更小，所以一旦工藝和芯片達到DRAM的水平時，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)點和晶圓直徑達到DRAM的水平，芯片產(chǎn)量足以影響規(guī)模經(jīng)濟效益，預(yù)計到2015至2016年，相變化內(nèi)存的每GB(gigabyte)價格將低于DRAM的平均價格。雖然相變化內(nèi)存向多層單元(multi-level cells)進化，該技術(shù)制造成本將會降至DRAM價格的二分之一以下，從而成為繼NAND之后第二個成本最低的技術(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，這項技術(shù)的價格將會與DRAM的價格持平，屆時相變化內(nèi)存將開啟一個全新的內(nèi)存系統(tǒng)設(shè)計思維方式。