相變化內存原理分析及設計使用技巧介紹

　相變化內存(Phase Change Memory，PCM)是一項全新的內存技術(shù)，目前有多家公司在從事該技術(shù)的研發(fā)活動(dòng)。這項技術(shù)集當今揮發(fā)性內存和非揮發(fā)性?xún)却鎯纱蠹夹g(shù)之長(cháng)，為系統工程師提供極具吸引力的技術(shù)特性和功能。工程師無(wú)需再費時(shí)解決過(guò)去幾年必須設法克服的所謂內存技術(shù)的奇怪特性。因此，當采用NOR或NAND閃存設計系統時(shí)，工程師必須掌握許多變通技巧。

　　由于相變化內存簡(jiǎn)單易用，設計人員可以把以前的奇怪東西全部忘掉。相變化內存還有助于大幅縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，提高系統效能和編碼容量，降低產(chǎn)品成本。應用設計通常需要RAM內存芯片以補償閃存的慢速且錯綜復雜的程序設計協(xié)議。在改用相變化內存后，還能降低許多設計對RAM芯片的容量要求，甚至根本不再需要RAM芯片。因此設計人員已經(jīng)發(fā)現在許多設計狀況中把現有設計的閃存改由相變化內存取代的確是非常值得一試的。

　　為什么選用相變化內存

　　為什么相變化內存很有前景，為什么現在正式接近量產(chǎn)?提出這兩個(gè)問(wèn)題有很多理由。時(shí)至今日，相變化內存尚未在市場(chǎng)上蓬勃發(fā)展的最大原因是，現有內存技術(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(jìn)入市場(chǎng)時(shí)都必須面臨的狀況，也有許多新技術(shù)因而在初引入時(shí)被擋在市場(chǎng)大門(mén)外。

　　對于特定的工藝技術(shù)，這些替代內存與目前成功的傳統競品相比，不是芯片面積更大，就是晶圓制造成本極高。在向來(lái)以成本為王的內存市場(chǎng)上，若想替代現有技術(shù)，制造成本高的芯片幾乎沒(méi)有勝算。不過(guò)這種局面很快會(huì )被打破，因為在今后幾年，相變化內存與DRAM的成本差距將會(huì )變小。

　　正面來(lái)說(shuō)，幾個(gè)原因使得相變化內存在近期引起市場(chǎng)相當大的關(guān)注。首先，材料技術(shù)在過(guò)去十年取得長(cháng)足進(jìn)步，現在制造生產(chǎn)相變化內存需要的高純度薄膜的可行性較以前提高很多。而且，相變化內存需要的硫系材料也取得很多突破性進(jìn)展，現在被用于大規模制造CD-R和CD-RW光盤(pán)。

　　同時(shí)，科學(xué)家對這些材料的物理性質(zhì)的了解也取得相當大的進(jìn)步。工藝技術(shù)節點(diǎn)縮小也發(fā)揮了相應的作用：在過(guò)去，被加熱材料的面積相對較大，改變一次相變化狀態(tài)需要相當大的能量。隨著(zhù)工藝技術(shù)節點(diǎn)縮小，以前像一片海洋的加熱材料，現在變得像一個(gè)浴盆大小。

　　最后，業(yè)界普遍接受閃存即將達到技術(shù)節點(diǎn)極限的觀(guān)點(diǎn)，也驅動(dòng)了后續技術(shù)研發(fā)活動(dòng)以超越這個(gè)極限。盡管閃存升級極限被向后推遲多年，但是所有閃存廠(chǎng)商都承認，閃存無(wú)法升級到下一個(gè)技術(shù)節點(diǎn)的時(shí)代很快就會(huì )到來(lái)，屆時(shí)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象：儲存在一個(gè)閃存位內的電子的數量在逐步減少。在大約八年后，當NAND和NOR其中一種閃存升級到10nm工藝節點(diǎn)前，每位所儲存的電子數不到10個(gè)。

　　對于一個(gè)多級單元架構(MLC)，在一個(gè)多噪聲的環(huán)境內，10個(gè)電子數量太少，無(wú)法儲存多位數據，實(shí)際要求每位電子數量接近100個(gè)，遠遠高于10個(gè)。即使達到這個(gè)指標，如此少的電子數量使其很難達到現有應用的可靠性要求。

　　相變化內存已經(jīng)上市銷(xiāo)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)的相變化內存。不久之后，恒憶(Numonyx)推出了一個(gè)相變化內存原型，在2008年底前，已開(kāi)始限量出貨。從2006年起，BAE系統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)注相變化內存，因為這項技術(shù)能夠抵抗阿爾法粒子輻射引起的數據位錯誤。

　　試用過(guò)這些芯片的設計人員表示，當使用比較老的傳統的內存技術(shù)時(shí)，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(wèn)題。

　　在一個(gè)典型的系統中，非揮發(fā)性?xún)却婧蚏AM內存都會(huì )被用到，前者用于保存編碼，后者用作高速緩存，有時(shí)也用于儲存其它編碼。為了避免使程序員處理不同類(lèi)型的記憶體，操作系統隱藏了各類(lèi)內存間的差異，以對其它程序透明的方式，執行對揮發(fā)性?xún)却婧头菗]發(fā)性?xún)却娴墓芾砣蝿?wù)，而這大大增加了系統的復雜程度。

　　即便有了這種輔助功能，當使用只讀編碼儲存空間儲存編碼，以只讀數據儲存空間儲存數據時(shí)，程序員還是受限某些限制。如果編碼或數據量大于內存的容量，即便超出一個(gè)字節，那部分儲存空間就必須擴大一倍，導致價(jià)格大幅提升。在某些狀況下，使用基于相變化內存的系統就可以避免這個(gè)問(wèn)題。

　　相變化內存改變了游戲規則。編碼和數據不必再分開(kāi)儲存在非揮發(fā)性?xún)却婧蚏AM的兩個(gè)容量固定的模塊內。編碼和數據可以保存在一個(gè)內存內。對于小型系統的設計人員，這種方法可以減少芯片數量，降低功耗。讀寫(xiě)內存和只讀存儲器之間不再有固定的界限，對于小型系統和大型系統的設計人員是莫大的福音。

　　閃存的復雜之處

　　閃存很難管理。曾有設計工程師形容管理閃存的過(guò)程是一種“非常復雜的舞蹈”。曾經(jīng)采用NAND或NOR閃存設計系統的工程師可以證實(shí)這點(diǎn)，閃存管理需要考慮許多因素，例如：損耗均衡、讀寫(xiě)同步和壞塊管理，這使閃存管理任務(wù)變得極其復雜。

　　與基于閃存的設計相比，相變化內存帶來(lái)的問(wèn)題非常少。相變化內存支持位元組修改功能，因此沒(méi)有NAND和NOR閃存的寫(xiě)入之前需先擦除區塊的步驟，因而大幅簡(jiǎn)化了寫(xiě)入操作。在相變化內存內，邏輯1可以變?yōu)檫壿?，反之亦然;所以在寫(xiě)入操作之前無(wú)需進(jìn)行一次擦除操作，相變化內存的寫(xiě)入操作更類(lèi)似于RAM，而不像NAND或NOR閃存。

　　相變化內存寫(xiě)入操作速度快，無(wú)需NAND或NOR的擦除操作。因此，不再需要同步讀寫(xiě)功能，程序設計師幾乎不必再寫(xiě)專(zhuān)門(mén)的編碼，以防止在最新的寫(xiě)入操作附近發(fā)生讀取操作。

　　相變化內存的隨機尋址類(lèi)似于NOR或SRAM，非常符合處理器的要求。此外，相變化內存不需要NAND閃存的錯誤校驗功能，因為相變化內存能夠保證所有位保存的數據與寫(xiě)入的數據完全相同。

　　相變化內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(chēng)相變化內存是“最適合韌體/軟件工程師用的非揮發(fā)性?xún)却?rdquo;。相變化記憶體另外還有一個(gè)好處：編碼儲存區和數據儲存區之間的界限比以前更加靈活。在今日的設計中，每個(gè)內存應用都需要自己獨有的內存拓撲，通常是：