相變存儲器（PCM）技術(shù)基礎(chǔ)

相變存儲器（PCM）是一種非易失存儲設(shè)備，它利用材料的可逆轉(zhuǎn)的相變來存儲信息。同一物質(zhì)可以在諸如固體、液體、氣體、冷凝物和等離子體等狀態(tài)下存在，這些狀態(tài)都稱為相。相變存儲器便是利用特殊材料在不同相間的電阻差異進(jìn)行工作的。本文將介紹相變存儲器的基本技術(shù)與功能。

發(fā)展歷史與背景

二十世紀(jì)五十年代至六十年代，Dr. Stanford Ovshinsky開始研究無定形物質(zhì)的性質(zhì)。無定形物質(zhì)是一類沒有表現(xiàn)出確定、有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。1968年，他發(fā)現(xiàn)某些玻璃在變相時(shí)存在可逆的電阻系數(shù)變化。1969年，他又發(fā)現(xiàn)激光在光學(xué)存儲介質(zhì)中的反射率會發(fā)生響應(yīng)的變化。1970年，他與他的妻子Dr. Iris Ovshinsky共同建立的能量轉(zhuǎn)換裝置（ECD）公司，發(fā)布了他們與Intel的Gordon Moore合作的結(jié)果。1970年9月28日在Electronics發(fā)布的這一篇文章描述了世界上第一個(gè)256位半導(dǎo)體相變存儲器。

近30年后，能量轉(zhuǎn)換裝置（ECD）公司與Micron Technology前副主席Tyler Lowery建立了新的子公司Ovonyx。在2000年2月，Intel與Ovonyx發(fā)表了合作與許可協(xié)議，此份協(xié)議是現(xiàn)代PCM研究與發(fā)展的開端。2000年12月，STMicroelectronics（ST）也與Ovonyx開始合作。至2003年，以上三家公司將力量集中，避免重復(fù)進(jìn)行基礎(chǔ)的、競爭的研究與發(fā)展，避免重復(fù)進(jìn)行延伸領(lǐng)域的研究，以加快此項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)展。2005年，ST與Intel發(fā)表了它們建立新的閃存公司的意圖，新公司名為Numonyx。

在1970年第一份產(chǎn)品問世以后的幾年中，半導(dǎo)體制作工藝有了很大的進(jìn)展，這促進(jìn)了半導(dǎo)體相變存儲器的發(fā)展。同時(shí)期，相變材料也愈加完善以滿足在可重復(fù)寫入的CD與DVD中的大量使用。Intel開發(fā)的相變存儲器使用了硫?qū)倩铮–halcogenides），這類材料包含元素周期表中的氧/硫族元素。Numonyx的相變存儲器使用一種含鍺、銻、碲的合成材料（Ge2Sb2Te5），多被稱為GST?，F(xiàn)今大多數(shù)公司在研究和發(fā)展相變存儲器時(shí)都都使用GST或近似的相關(guān)合成材料。今天，大部分DVD-RAM都是使用與Numonyx相變存儲器使用的相同的材料。

工作原理

相變硫?qū)倩镌谟蔁o定形相轉(zhuǎn)向結(jié)晶相時(shí)會表現(xiàn)出可逆的相變現(xiàn)象。如圖1，在無定形相，材料是高度無序的狀態(tài)，不存在結(jié)晶體的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。在此種狀態(tài)下，材料具有高阻抗和高反射率。相反地，在結(jié)晶相，材料具有規(guī)律的晶體結(jié)構(gòu)，具有低阻抗和低反射率。

圖1 來源：Intel，Ovonyx

相變存儲器利用的是兩相間的阻抗差。由電流注入產(chǎn)生的劇烈的熱量可以引發(fā)材料的相變。相變后的材料性質(zhì)由注入的電流、電壓及操作時(shí)間決定?；鞠嘧兇鎯ζ鞔鎯υ砣鐖D2所示。

圖2 相變存儲原理示例

如左圖所示，一層硫?qū)倩飱A在頂端電極與底端電極之間。底端電極延伸出的加熱電阻接觸硫?qū)倩飳?。電流注入加熱電阻與硫?qū)倩飳拥倪B接點(diǎn)后產(chǎn)生的焦耳熱引起相變。右圖為此構(gòu)想的實(shí)際操作，在晶體結(jié)構(gòu)硫?qū)倩飳又挟a(chǎn)生了無定形相的區(qū)域。由于反射率的差異，無定形相區(qū)域呈現(xiàn)如蘑菇菌蓋的形狀。

相變存儲器的特性與功能

相變存儲器兼有NOR-type flash、memory NAND-type flash memory和 RAM或EEpROM相關(guān)的屬性。這些屬性如圖3的表格。

圖3 相變存儲器的屬性

一位可變

如同RAM或EEPROM，PCM可變的最小單元是一位。閃存技術(shù)在改變儲存的信息時(shí)要求有一步單獨(dú)的擦除步驟。而在一位可變的存儲器中存儲的信息在改變時(shí)無需單獨(dú)的擦除步驟，可直接由1變?yōu)?或由0變?yōu)?。

非易失性

相變存儲器如NOR閃存與NAND閃存一樣是非易失性的存儲器。RAM需要穩(wěn)定的供電來維持信號，如電池支持。DRAM也有稱為軟錯(cuò)誤的缺點(diǎn)，由微?；蛲饨巛椛鋵?dǎo)致的隨機(jī)位損壞。早期Intel進(jìn)行的兆比特PCM存儲陣列能夠保存大量數(shù)據(jù)，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明PCM具有良好的非易失性。

讀取速度

如同RAM和NOR閃存，PCM技術(shù)具有隨機(jī)存儲速度快的特點(diǎn)。這使得存儲器中的代碼可以直接執(zhí)行，無需中間拷貝到RAM。PCM讀取反應(yīng)時(shí)間與最小單元一比特的NOR閃存相當(dāng)，而它的的帶寬可以媲美DRAM。相對的，NAND閃存因隨機(jī)存儲時(shí)間長達(dá)幾十微秒，無法完成代碼的直接執(zhí)行。

寫入/擦除速度

PCM能夠達(dá)到如同NAND的寫入速度，但是PCM的反應(yīng)時(shí)間更短，且無需單獨(dú)的擦除步驟。NOR閃存具有穩(wěn)定的寫入速度，但是擦除時(shí)間較長。PCM同RAM一樣無需單獨(dú)擦除步驟，但是寫入速度（帶寬和反應(yīng)時(shí)間）不及RAM。隨著PCM技術(shù)的不斷發(fā)展，存儲單元縮減，PCM將不斷被完善。

縮放比例

縮放比例是PCM的第五個(gè)不同點(diǎn)。NOR和NAND存儲器的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致存儲器很難縮小體型。這是因?yàn)殚T電路的厚度是一定的，它需要多于10V的供電，CMOS邏輯門需要1V或更少。這種縮小通常被成為摩爾定律，存儲器每縮小一代其密集程度提高一倍。隨著存儲單元的縮小，GST材料的體積也在縮小，這使得PCM具有縮放性。

結(jié)論

相變存儲器是一種很有發(fā)展前景的存儲技術(shù)，近年來再次引起了研究人員的注意。相變存儲器利用可逆的相變現(xiàn)象，通過兩相間的阻抗差異來存儲信息。Numonyx的早期工作和取得的進(jìn)展，將該技術(shù)推向了可讀寫存儲領(lǐng)域的前沿。相變存儲器集成了NOR閃存、NAND閃存、EEPROM和RAM的特性于一體，這些功能連同存儲系統(tǒng)低耗用的潛能，將能夠在廣泛地創(chuàng)造出新的應(yīng)用和存儲架構(gòu)。