相變化內(nèi)存原理分析及設(shè)計(jì)使用技巧

　相變化內(nèi)存(Phase Change Memory，PCM)是一項(xiàng)全新的內(nèi)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(xiàng)技術(shù)集當(dāng)今揮發(fā)性內(nèi)存和非揮發(fā)性?xún)?nèi)存兩大技術(shù)之長(zhǎng)，為系統(tǒng)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(fèi)時(shí)解決過(guò)去幾年必須設(shè)法克服的所謂內(nèi)存技術(shù)的奇怪特性。因此，當(dāng)采用NOR或NAND閃存設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，工程師必須掌握許多變通技巧。

　　由于相變化內(nèi)存簡(jiǎn)單易用，設(shè)計(jì)人員可以把以前的奇怪東西全部忘掉。相變化內(nèi)存還有助于大幅縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，提高系統(tǒng)效能和編碼容量，降低產(chǎn)品成本。應(yīng)用設(shè)計(jì)通常需要RAM內(nèi)存芯片以補(bǔ)償閃存的慢速且錯(cuò)綜復(fù)雜的程序設(shè)計(jì)協(xié)議。在改用相變化內(nèi)存后，還能降低許多設(shè)計(jì)對(duì)RAM芯片的容量要求，甚至根本不再需要RAM芯片。因此設(shè)計(jì)人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在許多設(shè)計(jì)狀況中把現(xiàn)有設(shè)計(jì)的閃存改由相變化內(nèi)存取代的確是非常值得一試的。

　　為什么選用相變化內(nèi)存

　　為什么相變化內(nèi)存很有前景，為什么現(xiàn)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(nèi)存尚未在市場(chǎng)上蓬勃發(fā)展的最大原因是，現(xiàn)有內(nèi)存技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)高于任何 新的替代技術(shù)。這是每項(xiàng)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(duì)于特定的工藝技術(shù)，這些替代內(nèi)存與目前成功的傳統(tǒng)競(jìng)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(nèi)存市場(chǎng)上，若想替代現(xiàn)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?yàn)樵诮窈髱啄?，相變化?nèi)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(nèi)存在近期引起市場(chǎng)相當(dāng)大的關(guān)注。首先，材料技術(shù)在過(guò)去十年取得長(zhǎng)足進(jìn)步，現(xiàn)在制造生產(chǎn)相變化內(nèi)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(nèi)存需要的硫系材料也取得很多突破性進(jìn)展，現(xiàn)在被用于大規(guī)模制造CD-R和CD-RW光盤(pán)。

　　同時(shí)，科學(xué)家對(duì)這些材料的物理性質(zhì)的了解也取得相當(dāng)大的進(jìn)步。工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)縮小也發(fā)揮了相應(yīng)的作用：在過(guò)去，被加熱材料的面積相對(duì)較大，改變一次相變化狀態(tài)需要相當(dāng)大的能量。隨著工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)縮小，以前像一片海洋的加熱材料，現(xiàn)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(dá)到技術(shù)節(jié)點(diǎn)極限的觀點(diǎn)，也驅(qū)動(dòng)了后續(xù)技術(shù)研發(fā)活動(dòng)以超越這個(gè)極限。盡管閃存升級(jí)極限被向后推遲多年，但是所有閃存廠商都承認(rèn)，閃存無(wú)法升級(jí)到下一個(gè)技術(shù)節(jié)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(jí)極限后的現(xiàn)象：儲(chǔ)存在一個(gè)閃存位內(nèi)的電子的數(shù)量在逐步減少。在大約八年后，當(dāng)NAND和NOR其中一種閃存升級(jí)到10nm工藝節(jié)點(diǎn)前，每位所儲(chǔ)存的電子數(shù)不到10個(gè)。

　　對(duì)于一個(gè)多級(jí)單元架構(gòu)(MLC)，在一個(gè)多噪聲的環(huán)境內(nèi)，10個(gè)電子數(shù)量太少，無(wú)法儲(chǔ)存多位數(shù)據(jù)，實(shí)際要求每位電子數(shù)量接近100個(gè)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于10個(gè)。即使達(dá)到這個(gè)指標(biāo)，如此少的電子數(shù)量使其很難達(dá)到現(xiàn)有應(yīng)用的可靠性要求。

　　相變化內(nèi)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(nèi)存。不久之后，恒憶(Numonyx)推出了一個(gè)相變化內(nèi)存原型，在2008年底前，已開(kāi)始限量出貨。從2006年起，BAE系統(tǒng)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(nèi)存，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)能夠抵抗阿爾法粒子輻射引起的數(shù)據(jù)位錯(cuò)誤。

　　試用過(guò)這些芯片的設(shè)計(jì)人員表示，當(dāng)使用比較老的傳統(tǒng)的內(nèi)存技術(shù)時(shí)，他們必須解決很多技術(shù)難題，而這項(xiàng)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(tǒng)中，非揮發(fā)性?xún)?nèi)存和RAM內(nèi)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(chǔ)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(tǒng)隱藏了各類(lèi)內(nèi)存間的差異，以對(duì)其它程序透明的方式，執(zhí)行對(duì)揮發(fā)性?xún)?nèi)存和非揮發(fā)性?xún)?nèi)存的管理任務(wù)，而這大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

　　即便有了這種輔助功能，當(dāng)使用只讀編碼儲(chǔ)存空間儲(chǔ)存編碼，以只讀數(shù)據(jù)儲(chǔ)存空間儲(chǔ)存數(shù)據(jù)時(shí)，程序員還是受限某些限制。如果編碼或數(shù)據(jù)量大于內(nèi)存的容量，即便超出一個(gè)字節(jié)，那部分儲(chǔ)存空間就必須擴(kuò)大一倍，導(dǎo)致價(jià)格大幅提升。在某些狀況下，使用基于相變化內(nèi)存的系統(tǒng)就可以避免這個(gè)問(wèn)題。

　　相變化內(nèi)存改變了游戲規(guī)則。編碼和數(shù)據(jù)不必再分開(kāi)儲(chǔ)存在非揮發(fā)性?xún)?nèi)存和RAM的兩個(gè)容量固定的模塊內(nèi)。編碼和數(shù)據(jù)可以保存在一個(gè)內(nèi)存內(nèi)。對(duì)于小型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員，這種方法可以減少芯片數(shù)量，降低功耗。讀寫(xiě)內(nèi)存和只讀存儲(chǔ)器之間不再有固定的界限，對(duì)于小型系統(tǒng)和大型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員是莫大的福音。

　　閃存的復(fù)雜之處

　　閃存很難管理。曾有設(shè)計(jì)工程師形容管理閃存的過(guò)程是一種“非常復(fù)雜的舞蹈”。曾經(jīng)采用NAND或NOR閃存設(shè)計(jì)系統(tǒng)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(fù)雜。

　　與基于閃存的設(shè)計(jì)相比，相變化內(nèi)存帶來(lái)的問(wèn)題非常少。相變化內(nèi)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(qū)塊的步驟，因而大幅簡(jiǎn)化了寫(xiě)入操作。在相變化內(nèi)存內(nèi)，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(nèi)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(nèi)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(shè)計(jì)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(nèi)存的隨機(jī)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(nèi)存不需要NAND閃存的錯(cuò)誤校驗(yàn)功能，因?yàn)橄嘧兓瘍?nèi)存能夠保證所有位保存的數(shù)據(jù)與寫(xiě)入的數(shù)據(jù)完全相同。

　　相變化內(nèi)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(nèi)存是“最適合韌體/軟件工程師用的非揮發(fā)性?xún)?nèi)存”。相變化記憶體另外還有一個(gè)好處：編碼儲(chǔ)存區(qū)和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存區(qū)之間的界限比以前更加靈活。在今日的設(shè)計(jì)中，每個(gè)內(nèi)存應(yīng)用都需要自己獨(dú)有的內(nèi)存拓?fù)?，通常是?/span>