相变化内存原理分析及设计使用技巧

闪存很难管理。曾有设计工程师形容管理闪存的过程是一种“非常复杂的舞蹈”。曾经采用NAND或NOR闪存设计系统的工程师可以证实这点，闪存管理需要考虑许多因素，例如：损耗均衡、读写同步和坏块管理，这使闪存管理任务变得极其复杂。

　　与基于闪存的设计相比，相变化内存带来的问题非常少。相变化内存支持位元组修改功能，因此没有NAND和NOR闪存的写入之前需先擦除区块的步骤，因而大幅简化了写入操作。在相变化内存内，逻辑1可以变为逻辑0，反之亦然;所以在写入操作之前无需进行一次擦除操作，相变化内存的写入操作更类似于RAM，而不像NAND或NOR闪存。

　　相变化内存写入操作速度快，无需NAND或NOR的擦除操作。因此，不再需要同步读写功能，程序设计师几乎不必再写专门的编码，以防止在最新的写入操作附近发生读取操作。

　　相变化内存的随机寻址类似于NOR或SRAM，非常符合处理器的要求。此外，相变化内存不需要NAND闪存的错误校验功能，因为相变化内存能够保证所有位保存的数据与写入的数据完全相同。

　　相变化内存根本不需要闪存管理所需的全部算法，例如：损耗均衡和坏块管理。有人称相变化内存是“最适合韧体/软件工程师用的非挥发性内存”。相变化记忆体另外还有一个好处：编码储存区和数据储存区之间的界限比以前更加灵活。在今日的设计中，每个内存应用都需要自己独有的内存拓扑，通常是：

　　_NOR和SRAM

　　_NOR+NAND和SRAM或PSRAM

　　_NOR或NAND+DRAM或移动SDRAM

　　这些系统很少用非挥发性内存保存临时数据，也从来不用RAM保存编码，因为在如果没电RAM就会失去全部内容。相变化内存有助于简化这些配置，保存数据和编码可以只用单一相变化内存芯片或一个PCM数组，在一般情况下就不再需要将非挥发性内存芯片搭配RAM芯片使用。

　　相变化内存还有一个好处，程序员现在只需考虑编码量和数据量，而不必担心编码和数据的储存空间是两个分开的储存区。如果数据储存空间增加几个字节，还可以从编码储存空间“借用”储存空间，这在除相变化内存以外的其它任何拓扑中都是不可能的。

　　相变化内存的工作原理

　　相变化内存有晶体和非晶体两种状态，正是利用这种特殊材料的变化状态决定数据位是1还是0。和利用液晶的方向阻挡光线或传递光线的液晶显示器同样原理，在相变化内存内，储存数据位的硫系玻璃可以允许电流通过(晶态)，或是阻止电流通过(非晶态)。

　　在相变化内存的每个位的位置都有一个微型加热器，通过熔化然后再冷却硫系玻璃，来促进晶体成长或禁止晶体成长，每个位就会在晶态与非晶态之间转换。设定的脉冲信号将温度升高到玻璃熔化的温度，并维持在这个温度一段时间;一旦晶体开始生长，就立即降低温度。一个复位脉冲将温度升高，然后在熔化材料形成晶体前快速降低温度，这个过程在该位位置上产生一个非晶或不导电的材料结构(图2)。

　　加热器的尺寸非常小，能够快速加热微小的硫系材料的位置，加热时间在纳秒量级内，这个特性准许进行快速写入操作、防止读取操作干扰相邻的数据位。此外，加热器的尺寸随着工艺技术节点缩小而变小，因此与采用大技术节点的上一代相变化内存相比，采用小技术节点相变化内存更容易进行写入操作。相变化内存技术的技术节点极限远远小于NAND和NOR闪存(图3)。

　　相变化内存的读写速度可媲美闪存，将来会接近DRAM的速度。从系统架构角度看，相变化内存的优点是没有擦除过程，每个位都可以随时单独置位或复位，不会影响其它的数据位，这一点突破了NAND和NOR闪存的区块擦除限制。

　　内存芯片价格取决于制造成本，Objective Analysis估计。相变化内存制造商将会把制造成本逐步降至竞争技术的水平。相变化内存的每gigabyte价格是DRAM的大约25倍，但相变化内存的储存单元比最先进的DARM的储存单元更小，所以一旦工艺和芯片达到DRAM的水平时，相变化内存的制造成本将能够降到DRAM成本之下。

　　随着工艺技术节点和晶圆直径达到DRAM的水平，芯片产量足以影响规模经济效益，预计到2015至2016年，相变化内存的每GB(gigabyte)价格将低于DRAM的平均价格。虽然相变化内存向多层单元(multi-level cells)进化，该技术制造成本将会降至DRAM价格的二分之一以下，从而成为继NAND之后第二个成本最低的技术。再早关注相变化内存技术也不算早。我们知道闪存正在接近其不可避免的技术升级的极限，相变化内存等技术必将取而代之。相变化内存厂商透露，在2015年左右，这项技术的价格将会与DRAM的价格持平，届时相变化内存将开启一个全新的内存系统设计思维方式。