相變存儲器(PCM)與存儲器技術(shù)簡介

相變存儲器(PCM)是新一代非揮發(fā)性存儲器技術(shù)。透過比較PCM與現(xiàn)有的SLC和MLC NAND快閃存儲器以及硬碟驅(qū)動器(HDD) 和固態(tài)硬碟(SSD)等系統(tǒng)解決方案，*估PCM的相對成本、效能和可靠度，可以了解PCM適用于哪里些應(yīng)用領(lǐng)域，以及這項(xiàng)新技術(shù)的潛在價(jià)值。

當(dāng)探討PCM在存儲器領(lǐng)域的定位時，必須注意其為具有重要優(yōu)勢的補(bǔ)充技術(shù) (特別是當(dāng)系統(tǒng)需求是重要的考慮因素的情況)，而非替代其它存儲器的儲存技術(shù)。不論是作為RAM還是NAND快閃存儲器的補(bǔ)充，只要使用適量的PCM就能改進(jìn)企業(yè)級計(jì)算機(jī)和電子商務(wù)等高端應(yīng)用的可靠度和處理效能。

圖1 PCM并非取代現(xiàn)有的存儲器系統(tǒng)，而是可以作為互補(bǔ)

圖2 相變存儲器(PCM)集其它類型存儲器的突出優(yōu)點(diǎn)于一身，為高端應(yīng)用和無線產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師提供新的選擇

PCM是利用材料中的可逆相態(tài)變化來儲存信息的非揮發(fā)性存儲器。物質(zhì)以多種相態(tài)存在，如固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、凝結(jié)和離子。PCM 依賴于材料在不同相變時所表現(xiàn)出來的不同的電阻率特性。恒憶的PCM采用一種由鍺、銻和碲三種元素組成的叫做GST的合金材料(Ge2Sb2Te5)。在非結(jié)晶狀態(tài)時，GST合金的分子結(jié)構(gòu)雜亂無序，因而電阻率也較高。相比之下，在晶體狀態(tài)時，GST的分子結(jié)構(gòu)整齊有序，電阻率相對較低。PCM的技術(shù)基礎(chǔ)就是利用材料電阻率在兩個相態(tài)之間的差異性。透過注入電流，可在材料局部產(chǎn)生強(qiáng)烈的焦耳熱效應(yīng)，引發(fā)相態(tài)變化。透過調(diào)整電壓大小和施加的電流時長，可以調(diào)整最終的材料相態(tài)。

PCM有一些有趣的特性：如同NOR和NAND快閃存儲器，PCM也是非揮發(fā)性存儲器技術(shù)之一，因此保存資料并不需要重啟電源。PCM 具備位元可修改功能，存儲器保存的信息可以從1切換到0或者從0切換到1，無需單獨(dú)的抹除步驟。PCM的特點(diǎn)是隨機(jī)讀取時間短。這個特性使處理器可直接從存儲器執(zhí)行代碼，無需把代碼復(fù)制到RAM的中間過程。PCM讀取延時與每單元中任一位元的NOR快閃存儲器相當(dāng)，而讀取效能則可與DRAM存儲器媲美。PCM的寫入速度可達(dá)到NAND快閃存儲器的水平，因?yàn)椴恍枰獑为?dú)的抹除步驟，PCM的寫入延時更短。相比之下，NOR快閃存儲器的寫入速度中等，但是抹除操作時間較長。[!--empirenews.page--]
 

PCM與存儲器技術(shù)生命周期以及技術(shù)比較

如果植基于NAND快閃存儲器技術(shù)的固態(tài)硬碟目前在很多應(yīng)用領(lǐng)域中尚處于早期的推廣階段，那么 PCM則處于此存儲器技術(shù)推廣應(yīng)用曲線的更早階段。當(dāng)*價(jià)一項(xiàng)技術(shù)時，工程師十分看重成本和價(jià)格。但當(dāng)工程師思考一項(xiàng)新技術(shù)如何能提升正在開發(fā)的系統(tǒng)的效能時，會首先關(guān)注的是可靠度和效能，然后才會考慮成本的問題。故比較PCM與DRAM和NAND快閃存儲器時，應(yīng)該特別注意讀寫延時決定存儲器效能，耐讀寫能力是衡量存儲器可靠度的指標(biāo)。

寫入延時和耐寫能力-PCM次于DRAM，但是明顯快于NAND;讀取延時和耐讀能力–PCM接近DRAM的速度，明顯優(yōu)于 NAND;成本–就 SLC PCM、DRAM和SLC NAND快閃存儲器裸片(300mm晶圓)的理論成本比較報(bào)告，NAND最便宜。PCM成本大約是NAND的1.2倍，DRAM成本大約是NAND的1.4倍。由此可見PCM明顯優(yōu)于DRAM，然而不能像NAND一樣便宜，不過在這些技術(shù)中，很多技術(shù)的制程屏蔽總數(shù)量正趨于相同。

與SLC NAND相比，DRAM成本大約高40%，而PCM成本大約高20%。決定是否應(yīng)用一項(xiàng)新的儲存技術(shù)時，一般會應(yīng)用以下經(jīng)驗(yàn)法則：替代技術(shù)的成本應(yīng)為現(xiàn)有技術(shù)的1/8到1/10。因此單從成本角度考量，PCM作為NAND快閃存儲器替代技術(shù)的理由仍并不充分。

但可靠度為 PCM 勝出關(guān)鍵，許多NAND快閃存儲器技術(shù)的可攜式產(chǎn)品，如MP3播放器和隨身碟。在正常使用的狀況，這些設(shè)備需要寫存儲器10到100次，但尚未達(dá)到千次以上。透過最先進(jìn)的微影技術(shù)，這些裝置應(yīng)用中的NAND快閃存儲器技術(shù)可把成本降至極低的水平。而無線通訊、運(yùn)算裝置和固態(tài)硬碟等高端應(yīng)用也使用NAND快閃存儲器，但是這些應(yīng)用具備各別不同的使用條件和要求。某項(xiàng)技術(shù)可能是 MP3 播放器的理想選擇，但在企業(yè)級服務(wù)器上的應(yīng)用卻可能受限。

對于任何一種非揮發(fā)性浮動閘極存儲器(non-volitile floating gate memory device)，讀寫存儲器次數(shù)越多，失效次數(shù)也隨之增加，資料儲存期限也會縮短。PCM有趣的特性之一即是保存期限與耐讀寫次數(shù)無關(guān)，意即不管讀取 PCM存儲器一百萬次還是1次，都不會改變資料儲存的期限。這項(xiàng)特性深刻地影響此技術(shù)的使用與管理。資料儲存期限在許多嚴(yán)苛的應(yīng)用中都極為重要，而恒憶已證實(shí)PCM的資料儲存期限可長達(dá)10年。

另一方面，由于失效一般發(fā)生在寫入的操作過程中，因此當(dāng)PCM寫入資料時，如果寫入驗(yàn)證機(jī)制顯示該單元無數(shù)據(jù)，該資料則會立即被重寫到另一個儲存單元。這也是運(yùn)用 PCM簡化系統(tǒng)級設(shè)計(jì)的優(yōu)化功能。故PCM是適于無線應(yīng)用的低功耗存儲器，目前新一代智能手機(jī)用戶，對于手機(jī)有三個基本要求：快速開機(jī)(instent on)、使用簡便且電池使用時間長，以及優(yōu)異的多媒體、游戲和上網(wǎng)功能。

PCM具備優(yōu)異的讀取延時特性，意即其代碼執(zhí)行能力符合新一代無線用戶的需求。PCM能儲存大量的資料和代碼，并具有承受百萬次的讀寫能力。憑借PCM非揮發(fā)性存儲器技術(shù)的特性，除能簡化無線設(shè)備的電源管理設(shè)計(jì)，同時還有助于徹底解決效能與電池使用時間難以平衡的困擾。以整合了LPDDR2存儲器控制器的微處理器平臺為例，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員利用PCM的低功耗特性而能僅使用一個非揮發(fā)性存儲器，進(jìn)而簡化了手機(jī)架構(gòu)。

PCM的效能與商業(yè)價(jià)值

運(yùn)用存儲器技術(shù)提高運(yùn)算效能有兩個基本方式：增加頻寬以傳輸更多資料與縮短延時以提高資料速率。在效能第一的高端應(yīng)用中，增加頻寬需要增加更多的 RAM、硬碟機(jī)和服務(wù)器。提升讀寫延時效能，可用回應(yīng)速度是微秒(microsecond)級別的固態(tài)硬碟，取代毫秒(milisecond)級別的硬碟。后一種方法趨于降低總擁有成本(total cost of ownership, TCO)，因?yàn)樾略鲆粋€延時較短的服務(wù)器比增加三到四個服務(wù)器更劃算。經(jīng)由比較發(fā)現(xiàn)，PCM的寫入時延大約是1微秒，約為 SLC NAND快閃存儲器的100倍，硬碟驅(qū)動器的100,000倍左右。PCM的讀取延時也同樣出色，大約是50-100奈秒，是 SLC NAND快閃存儲器的100倍左右，大約是硬碟機(jī)的100,000倍。

在電子商務(wù)世界，即便延時取得很小的改進(jìn)，都會產(chǎn)生極大的價(jià)值：據(jù)Amazon報(bào)告，每增加100毫秒延時，都會損失1%的銷售額。據(jù)Google報(bào)告，搜索網(wǎng)頁生成時間每增加500毫秒，流量會降低20%。據(jù)分析公司Tabb Group報(bào)告，即使某券商的電子交易平臺比競爭對手只慢5毫秒，他每毫秒也可能會損失400萬美元。

作為RAM和固態(tài)硬碟間中介系統(tǒng)，PCM的確具備極高的價(jià)值，因?yàn)楦叨讼到y(tǒng)使用低延時PCM技術(shù)，不管是作為RAM或是NAND的補(bǔ)充，只要運(yùn)用適量的PCM，就能大幅提升效能。當(dāng)PCM未來開始應(yīng)用于高端設(shè)備后，可以預(yù)期這項(xiàng)技術(shù)的普及率即會逐步升高。