相變化內存開(kāi)創(chuàng )新型內存系統設計
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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。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/202398.htm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：
_NOR和SRAM
_NOR+NAND和SRAM或PSRAM
_NOR或NAND+DRAM或移動(dòng)SDRAM
這些系統很少用非揮發(fā)性?xún)却姹４媾R時(shí)數據，也從來(lái)不用RAM保存編碼，因為在如果沒(méi)電RAM就會(huì )失去全部?jì)热?。相變化內存有助于?jiǎn)化這些配置，保存數據和編碼可以只用單一相變化內存芯片或一個(gè)PCM數組，在一般情況下就不再需要將非揮發(fā)性?xún)却嫘酒钆銻AM芯片使用。
相變化內存還有一個(gè)好處，程序員現在只需考慮編碼量和數據量，而不必擔心編碼和數據的儲存空間是兩個(gè)分開(kāi)的儲存區。如果數據儲存空間增加幾個(gè)字節，還可以從編碼儲存空間“借用”儲存空間，這在除相變化內存以外的其它任何拓撲中都是不可能的。
相變化內存的工作原理
相變化內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)決定數據位是1還是0。和利用液晶的方向阻擋光線(xiàn)或傳遞光線(xiàn)的液晶顯示器同樣原理，在相變化內存內，儲存數據位的硫系玻璃可以允許電流通過(guò)(晶態(tài))，或是阻止電流通過(guò)(非晶態(tài))。
在相變化內存的每個(gè)位的位置都有一個(gè)微型加熱器，通過(guò)熔化然后再冷卻硫系玻璃，來(lái)促進(jìn)晶體成長(cháng)或禁止晶體成長(cháng)，每個(gè)位就會(huì )在晶態(tài)與非晶態(tài)之間轉換。設定的脈沖信號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(kāi)始生長(cháng)，就立即降低溫度。一個(gè)復位脈沖將溫度升高，然后在熔化材料形成晶體前快速降低溫度，這個(gè)過(guò)程在該位位置上產(chǎn)生一個(gè)非晶或不導電的材料結構(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)間在納秒量級內，這個(gè)特性準許進(jìn)行快速寫(xiě)入操作、防止讀取操作干擾相鄰的數據位。此外，加熱器的尺寸隨著(zhù)工藝技術(shù)節點(diǎn)縮小而變小，因此與采用大技術(shù)節點(diǎn)的上一代相變化內存相比，采用小技術(shù)節點(diǎn)相變化內存更容易進(jìn)行寫(xiě)入操作。相變化內存技術(shù)的技術(shù)節點(diǎn)極限遠遠小于NAND和NOR閃存(圖3)。
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