相變存儲器(PCM)與存儲器技術(shù)簡(jiǎn)介

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)推廣應用曲線(xiàn)的更早階段。當*價(jià)一項技術(shù)時(shí)，工程師十分看重成本和價(jià)格。但當工程師思考一項新技術(shù)如何能提升正在開(kāi)發(fā)的系統的效能時(shí)，會(huì )首先關(guān)注的是可靠度和效能，然后才會(huì )考慮成本的問(wèn)題。故比較PCM與DRAM和NAND快閃存儲器時(shí)，應該特別注意讀寫(xiě)延時(shí)決定存儲器效能，耐讀寫(xiě)能力是衡量存儲器可靠度的指標。

寫(xiě)入延時(shí)和耐寫(xiě)能力-PCM次于DRAM，但是明顯快于NAND;讀取延時(shí)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(jiàn)PCM明顯優(yōu)于DRAM，然而不能像NAND一樣便宜，不過(guò)在這些技術(shù)中，很多技術(shù)的制程屏蔽總數量正趨于相同。

與SLC NAND相比，DRAM成本大約高40%，而PCM成本大約高20%。決定是否應用一項新的儲存技術(shù)時(shí)，一般會(huì )應用以下經(jīng)驗法則：替代技術(shù)的成本應為現有技術(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，這些設備需要寫(xiě)存儲器10到100次，但尚未達到千次以上。透過(guò)最先進(jìn)的微影技術(shù)，這些裝置應用中的NAND快閃存儲器技術(shù)可把成本降至極低的水平。而無(wú)線(xiàn)通訊、運算裝置和固態(tài)硬碟等高端應用也使用NAND快閃存儲器，但是這些應用具備各別不同的使用條件和要求。某項技術(shù)可能是 MP3 播放器的理想選擇，但在企業(yè)級服務(wù)器上的應用卻可能受限。

對于任何一種非揮發(fā)性浮動(dòng)閘極存儲器(non-volitile floating gate memory device)，讀寫(xiě)存儲器次數越多，失效次數也隨之增加，資料儲存期限也會(huì )縮短。PCM有趣的特性之一即是保存期限與耐讀寫(xiě)次數無(wú)關(guān)，意即不管讀取 PCM存儲器一百萬(wàn)次還是1次，都不會(huì )改變資料儲存的期限。這項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苛的應用中都極為重要，而恒憶已證實(shí)PCM的資料儲存期限可長(cháng)達10年。

另一方面，由于失效一般發(fā)生在寫(xiě)入的操作過(guò)程中，因此當PCM寫(xiě)入資料時(shí)，如果寫(xiě)入驗證機制顯示該單元無(wú)數據，該資料則會(huì )立即被重寫(xiě)到另一個(gè)儲存單元。這也是運用 PCM簡(jiǎn)化系統級設計的優(yōu)化功能。故PCM是適于無(wú)線(xiàn)應用的低功耗存儲器，目前新一代智能手機用戶(hù)，對于手機有三個(gè)基本要求：快速開(kāi)機(instent on)、使用簡(jiǎn)便且電池使用時(shí)間長(cháng)，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(shí)特性，意即其代碼執行能力符合新一代無(wú)線(xiàn)用戶(hù)的需求。PCM能儲存大量的資料和代碼，并具有承受百萬(wàn)次的讀寫(xiě)能力。憑借PCM非揮發(fā)性存儲器技術(shù)的特性，除能簡(jiǎn)化無(wú)線(xiàn)設備的電源管理設計，同時(shí)還有助于徹底解決效能與電池使用時(shí)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，系統設計人員利用PCM的低功耗特性而能僅使用一個(gè)非揮發(fā)性存儲器，進(jìn)而簡(jiǎn)化了手機架構。

PCM的效能與商業(yè)價(jià)值

運用存儲器技術(shù)提高運算效能有兩個(gè)基本方式：增加頻寬以傳輸更多資料與縮短延時(shí)以提高資料速率。在效能第一的高端應用中，增加頻寬需要增加更多的 RAM、硬碟機和服務(wù)器。提升讀寫(xiě)延時(shí)效能，可用回應速度是微秒(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)，因為新增一個(gè)延時(shí)較短的服務(wù)器比增加三到四個(gè)服務(wù)器更劃算。經(jīng)由比較發(fā)現，PCM的寫(xiě)入時(shí)延大約是1微秒，約為 SLC NAND快閃存儲器的100倍，硬碟驅動(dòng)器的100,000倍左右。PCM的讀取延時(shí)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，大約是硬碟機的100,000倍。

在電子商務(wù)世界，即便延時(shí)取得很小的改進(jìn)，都會(huì )產(chǎn)生極大的價(jià)值：據Amazon報告，每增加100毫秒延時(shí)，都會(huì )損失1%的銷(xiāo)售額。據Google報告，搜索網(wǎng)頁(yè)生成時(shí)間每增加500毫秒，流量會(huì )降低20%。據分析公司Tabb Group報告，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(huì )損失400萬(wàn)美元。

作為RAM和固態(tài)硬碟間中介系統，PCM的確具備極高的價(jià)值，因為高端系統使用低延時(shí)PCM技術(shù)，不管是作為RAM或是NAND的補充，只要運用適量的PCM，就能大幅提升效能。當PCM未來(lái)開(kāi)始應用于高端設備后，可以預期這項技術(shù)的普及率即會(huì )逐步升高。