相變化內(nèi)存開創(chuàng)新型內(nèi)存系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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)洌ǔＪ牵?/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(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)晶體成長或禁止晶體成長，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，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)。