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)性內(nèi)存兩大技術(shù)之長，為系統(tǒng)工程師提供極具吸引力的技術(shù)特性和功能。工程師無需再費(fèi)時(shí)解決過去幾年必須設(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)競品相比，不是芯片面積更大，就是晶圓制造成本極高。在向來以成本為王的內(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有勝算。不過這種局面很快會(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。

　　正面來說，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)在過去十年取得長足進(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。

　　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，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。