相变存储器(PCM)是一种非易失存储设备,它利用材料的可逆转的相变来存储信息。同一物质可以在诸如固体、液体、气体、冷凝物和等离子体等状态下存在,这些状态都称为相。相变存储器便是利用特殊材料在不同相间的电阻差异进行工作的。

相变存储器利用的是两相间的阻抗差。由电流注入产生的剧烈的热量可以引发材料的相变。相变后的材料性质由注入的电流、电压及操作时间决定。基本相变存储器存储原理如图所示。如左图所示,一层硫属化物夹在顶端电极与底端电极之间。底端电极延伸出的加热电阻接触硫属化物层。电流注入加热电阻与硫属化物层的连接点后产生的焦耳热引起相变。右图为此构想的实际操作,在晶体结构硫属化物层中产生了无定形相的区域。由于反射率的差异,无定形相区域呈现如蘑菇菌盖的形状。

014ednc20171026 相变存储原理示例

回顾这个技术的发展历史,则是一个偶然。

二十世纪五十年代至六十年代,Dr. Stanford Ovshinsky开始研究无定形物质的性质。无定形物质是一类没有表现出确定、有序的结晶结构的物质。1968年,他发现某些玻璃在变相时存在可逆的电阻系数变化。1969年,他又发现激光在光学存储介质中的反射率会发生响应的变化。1970年,他与他的妻子Dr. Iris Ovshinsky共同建立的能量转换装置(ECD)公司,发布了他们与Intel的Gordon Moore合作的结果。1970年9月28日在Electronics发布的这一篇文章描述了世界上第一个256位半导体相变存储器。

近30年后,能量转换装置(ECD)公司与Micron Technology前副主席Tyler Lowery建立了新的子公司Ovonyx。在2000年2月,Intel与Ovonyx发表了合作与许可协议,此份协议是现代PCM研究与发展的开端。2000年12月,STMicroelectronics(ST)也与Ovonyx开始合作。至2003年,以上三家公司将力量集中,避免重复进行基础的、竞争的研究与发展,避免重复进行延伸领域的研究,以加快此项技术的进展。2005年,ST与Intel发表了它们建立新的闪存公司的意图,新公司名为Numonyx。

在1970年第一份产品问世以后的几年中,半导体制作工艺有了很大的进展,这促进了半导体相变存储器的发展。同时期,相变材料也愈加完善以满足在可重复写入的CD与DVD中的大量使用。Intel开发的相变存储器使用了硫属化物(Chalcogenides),这类材料包含元素周期表中的氧/硫族元素。Numonyx的相变存储器使用一种含锗、锑、碲的合成材料(Ge2Sb2Te5),多被称为GST。现今大多数公司在研究和发展相变存储器时都都使用GST或近似的相关合成材料。今天,大部分DVD-RAM都是使用与Numonyx相变存储器使用的相同的材料。

相变存储器兼有NOR-type flash、memory NAND-type flash memory和 RAM或EEpROM相关的属性。再加上他的存在,可以改变以前处理器和内存的信息传输架构,因此在现在倍受欢迎。

回到去年五月,IBM研究院首次展示了每个单元稳定的存储 3比特数据的能力的PCM。他们认为,PCM 存储器可以独立使用,或者用作混合应用设备的一部分,此类混合应用设备整合了 PCM 和闪存,以 PCM 作为速度极快的高速缓冲存储器(Cache)。例如,手机的操作系统可储存在 PCM 中,使手机可在几秒钟内开机。在企业领域,整个数据库都可储存在 PCM 中,可为时间要求苛刻的在线应用(例如金融交易)提供超快的查询处理。

这项技术还可通过减少在迭代之间读取数据时导致的延迟开销,大大提高采用大型数据集的机器学习算法的速度。

之前,IBM 以及其它研究机构的科学家已成功展示了在 PCM 上每个单元存储 1个比特的能力,但今天在巴黎的 IEEE 国际存储器研讨会上,IBM 的科学家首次展示了在高温下的 64k 单元阵列上实现每个单元成功储存 3比特的能力,并且其重复擦写次数突破了 100万次。

“相变存储器是首款既具有 DRAM 特性又具有闪存特性的通用存储器装置,因此可解决业界面临的重大挑战之一,”论文作者、IBM 研究院非易失性存储器研究部门经理 Haris Pozidis 博士在苏黎世对媒体说,“实现每单元 3比特(3位)的存储能力是一个重要的里程碑,因为在这种存储密度下,PCM 的成本将会大大低于 DRAM 的成本并且接近闪存的成本。”

为了实现多位存储,IBM 的科学家开发出了两项创新性的使能技术:一套不受偏移影响单元状态测量方法以及偏移容错编码和检测方案。

更具体地说,这种新的单元状态测量方法可测量 PCM 单元的物理特性,检测其在较长时间内是否能保持稳定状态,这样的话其对偏移就会不敏感,而偏移可影响此单元的长期电导率稳定性。为了实现一个单元上所储存的数据在环境温度波动的情况下仍能获得额外的稳健性(additional robustness),IBM 的科学家采用了一种新的编码和检测方案。这个方案可以通过自适应方式修改用来检测此单元所存储数据的电平阈值,使其能随着温度变化引起的各种波动而变化。因此,这种存储器写入程序后,在相当长的时间内都能可靠地读取单元状态,从而可提供较高的非易失性。

“通过综合这些进步,可解决多位 PCM 的关键挑战,包括偏移、可变性、温度敏感性和重复擦写次数,”IBM 院士(IBM Fellow)Evangelos Eleftheriou 博士说道。

IBM 的科学家所使用的实验用多位 PCM 芯片连接在一块标准的集成电路板上。该芯片由一个 4-bank 内存交错结构的 2 × 2 Mcell 阵列组成。这款存储器阵列大小为 2 × 1000 微米 (μm)× 800 微米(μm)。PCM 单元采用掺杂硫族化物合金制作而成,集成在标准原型芯片上,该芯片作为 90nm CMOS 基线技术中的特征化载具。

也许,一个存储革命真的要开启了。

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