《電子技術(shù)應(yīng)用》
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百年IBM的存儲(chǔ)新革命開(kāi)創(chuàng)相變存儲(chǔ)器的天下

2011-08-02

  我們的存儲(chǔ)裝置已經(jīng)在過(guò)去的80年中經(jīng)歷了異常激烈的變化,它們變得越來(lái)越難以理解和難以直接讀出,但也變得更小、更快、更穩(wěn)定。但是這并不夠,因?yàn)槿藗儗?duì)于效率的追求永無(wú)止境。現(xiàn)在,一種低耗能、高速度、全固態(tài)的存儲(chǔ)設(shè)備也許會(huì)成為新的流行,而IBM所做出的努力也許能讓這種叫做“相變存儲(chǔ)裝置”(Phase Change Memory,簡(jiǎn)為PCM)的設(shè)備更快地普及開(kāi)來(lái)。

  “相”是指物質(zhì)的狀態(tài),準(zhǔn)確地說(shuō),是物質(zhì)系統(tǒng)中具有相同物理性質(zhì)的均勻物質(zhì)部分。同屬固態(tài),但是碳有金剛石和石墨兩種相,鐵則有四種,其間的區(qū)別在于原子構(gòu)成的不同結(jié)構(gòu)。不同結(jié)構(gòu)就會(huì)導(dǎo)致不同的物理性質(zhì),就像金剛石是世界上最堅(jiān)硬的物質(zhì),而石墨卻很軟一樣。人們嘗試?yán)貌煌南嗨憩F(xiàn)出來(lái)的不同物理性質(zhì)來(lái)分別代表0和1,這種存儲(chǔ)方式就被稱做“相變存儲(chǔ)”。

  1960年,美國(guó)發(fā)明家Stanford Ovshinsky博士發(fā)現(xiàn)了一些玻璃在相變時(shí)電阻也會(huì)發(fā)生變化,而這種電阻變化是可逆的;幾年后,他又發(fā)現(xiàn)一些材料在表現(xiàn)為不同的相時(shí),對(duì)激光的反射率也有不同。這些發(fā)現(xiàn)意味著人們可以通過(guò)電流或者激光來(lái)測(cè)出物質(zhì)的相,也帶來(lái)了存儲(chǔ)設(shè)備開(kāi)發(fā)的新思路。Ovshinsky創(chuàng)立了“能量轉(zhuǎn)換裝置”公司,并且和Intel的創(chuàng)始人之一、提出了著名的“摩爾定律”的Gordon Moore合作,在1970年制造出第一塊半導(dǎo)體相變存儲(chǔ)器" title="相變存儲(chǔ)器">相變存儲(chǔ)器。

  當(dāng)時(shí)是晶體管的黃金時(shí)代,相變存儲(chǔ)器的時(shí)機(jī)尚未到來(lái)。1980年代,出于對(duì)可擦寫CD的需求,相變存儲(chǔ)裝置迅速變成了大型產(chǎn)業(yè)—在不同的相中,材料的反射率不同,光驅(qū)的讀取頭便可以分辨出在當(dāng)前激光掃描到的區(qū)域上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。后來(lái),這種技術(shù)也同樣被用在了可擦寫DVD上。

  用于可擦寫CD的相變材料能夠在晶體和非晶體狀態(tài)之間轉(zhuǎn)化。當(dāng)對(duì)非晶態(tài)的相變材料緩慢加熱時(shí),材料會(huì)慢慢變成晶體狀態(tài),呈現(xiàn)出一種反射特征;而如果對(duì)晶態(tài)的相變材料加熱到熔點(diǎn)以上并且迅速降溫的話,它就會(huì)凝結(jié)成非晶體,呈現(xiàn)出另一種反射特征。

  當(dāng)然,要加熱相變材料,并不只有激光一種方式,電也是一個(gè)好選擇。半導(dǎo)體相變存儲(chǔ)器件就是用電流加熱相變材料,其過(guò)程和可擦寫CD十分相似,但是使用的材料卻大有不同。今天廣泛使用的是一種簡(jiǎn)稱為GST的材料,它由鍺銻碲混合而成,三種元素的原子數(shù)量比是2:2:5。GST的特征是在不同的相時(shí),電阻率會(huì)有明顯的變化,通過(guò)測(cè)量流過(guò)GST的電流強(qiáng)度,就可以判斷出當(dāng)前存儲(chǔ)的是0還是1。這是一種通過(guò)操縱原子排列而實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)的設(shè)備。

  現(xiàn)在相變存儲(chǔ)器的通用設(shè)計(jì)是把一層GST夾在頂端電極與底端電極之間,并且由底端電極延伸出的加熱電阻接觸GST層。電流注入加熱電阻與GST的連接點(diǎn)時(shí),產(chǎn)生的熱量會(huì)引起相變,相變后的材料性質(zhì)由電流、電壓和時(shí)間決定,可以用較強(qiáng)的電流寫入,用較弱的電流讀取。

  我們的存儲(chǔ)裝置已經(jīng)在過(guò)去的80年中經(jīng)歷了異常激烈的變化,它們變得越來(lái)越難以理解和難以直接讀出,但也變得更小、更快、更穩(wěn)定。但是這并不夠,因?yàn)槿藗儗?duì)于效率的追求永無(wú)止境?,F(xiàn)在,一種低耗能、高速度、全固態(tài)的存儲(chǔ)設(shè)備也許會(huì)成為新的流行,而IBM所做出的努力也許能讓這種叫做“相變存儲(chǔ)裝置”(Phase Change Memory,簡(jiǎn)為PCM)的設(shè)備更快地普及開(kāi)來(lái)。

  “相”是指物質(zhì)的狀態(tài),準(zhǔn)確地說(shuō),是物質(zhì)系統(tǒng)中具有相同物理性質(zhì)的均勻物質(zhì)部分。同屬固態(tài),但是碳有金剛石和石墨兩種相,鐵則有四種,其間的區(qū)別在于原子構(gòu)成的不同結(jié)構(gòu)。不同結(jié)構(gòu)就會(huì)導(dǎo)致不同的物理性質(zhì),就像金剛石是世界上最堅(jiān)硬的物質(zhì),而石墨卻很軟一樣。人們嘗試?yán)貌煌南嗨憩F(xiàn)出來(lái)的不同物理性質(zhì)來(lái)分別代表0和1,這種存儲(chǔ)方式就被稱做“相變存儲(chǔ)”。

  1960年,美國(guó)發(fā)明家Stanford Ovshinsky博士發(fā)現(xiàn)了一些玻璃在相變時(shí)電阻也會(huì)發(fā)生變化,而這種電阻變化是可逆的;幾年后,他又發(fā)現(xiàn)一些材料在表現(xiàn)為不同的相時(shí),對(duì)激光的反射率也有不同。這些發(fā)現(xiàn)意味著人們可以通過(guò)電流或者激光來(lái)測(cè)出物質(zhì)的相,也帶來(lái)了存儲(chǔ)設(shè)備開(kāi)發(fā)的新思路。Ovshinsky創(chuàng)立了“能量轉(zhuǎn)換裝置”公司,并且和Intel的創(chuàng)始人之一、提出了著名的“摩爾定律”的Gordon Moore合作,在1970年制造出第一塊半導(dǎo)體相變存儲(chǔ)器。

  當(dāng)時(shí)是晶體管的黃金時(shí)代,相變存儲(chǔ)器的時(shí)機(jī)尚未到來(lái)。1980年代,出于對(duì)可擦寫CD的需求,相變存儲(chǔ)裝置迅速變成了大型產(chǎn)業(yè)—在不同的相中,材料的反射率不同,光驅(qū)的讀取頭便可以分辨出在當(dāng)前激光掃描到的區(qū)域上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。后來(lái),這種技術(shù)也同樣被用在了可擦寫DVD上。

  用于可擦寫CD的相變材料能夠在晶體和非晶體狀態(tài)之間轉(zhuǎn)化。當(dāng)對(duì)非晶態(tài)的相變材料緩慢加熱時(shí),材料會(huì)慢慢變成晶體狀態(tài),呈現(xiàn)出一種反射特征;而如果對(duì)晶態(tài)的相變材料加熱到熔點(diǎn)以上并且迅速降溫的話,它就會(huì)凝結(jié)成非晶體,呈現(xiàn)出另一種反射特征。

  當(dāng)然,要加熱相變材料,并不只有激光一種方式,電也是一個(gè)好選擇。半導(dǎo)體相變存儲(chǔ)器件就是用電流加熱相變材料,其過(guò)程和可擦寫CD十分相似,但是使用的材料卻大有不同。今天廣泛使用的是一種簡(jiǎn)稱為GST的材料,它由鍺銻碲混合而成,三種元素的原子數(shù)量比是2:2:5。GST的特征是在不同的相時(shí),電阻率會(huì)有明顯的變化,通過(guò)測(cè)量流過(guò)GST的電流強(qiáng)度,就可以判斷出當(dāng)前存儲(chǔ)的是0還是1。這是一種通過(guò)操縱原子排列而實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)的設(shè)備。

  現(xiàn)在相變存儲(chǔ)器的通用設(shè)計(jì)是把一層GST夾在頂端電極與底端電極之間,并且由底端電極延伸出的加熱電阻接觸GST層。電流注入加熱電阻與GST的連接點(diǎn)時(shí),產(chǎn)生的熱量會(huì)引起相變,相變后的材料性質(zhì)由電流、電壓和時(shí)間決定,可以用較強(qiáng)的電流寫入,用較弱的電流讀取。

  這種存儲(chǔ)裝置有許多優(yōu)勢(shì)。它的使用壽命達(dá)到1000萬(wàn)次寫入周期,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于企業(yè)級(jí)閃存芯片的3萬(wàn)次;它可以存儲(chǔ)的最小單位是1位,這也是人們用來(lái)計(jì)量數(shù)據(jù)的最小單位。它不像內(nèi)存那樣需要持續(xù)的電流供應(yīng)才不會(huì)丟失數(shù)據(jù),讀取和寫入的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)閃存,而帶寬卻能夠與內(nèi)存媲美。無(wú)論怎么看,它都像是人們想要的那種存儲(chǔ)設(shè)備。

  但是,目前依然還有困擾著相變存儲(chǔ)器發(fā)展的問(wèn)題:它的每個(gè)存儲(chǔ)單元只能存儲(chǔ)一位,成本不低而容量不高,目前只是小規(guī)模地適用于手機(jī)上,還不適合用于計(jì)算機(jī)。IBM蘇黎世研發(fā)中心解決的就是這個(gè)問(wèn)題。在6月份于美國(guó)加州蒙特利召開(kāi)的第三屆美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)國(guó)際存儲(chǔ)設(shè)備工作組會(huì)議上,IBM的研發(fā)工程師提出了多位相變存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)報(bào)告,成功地在每個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)了四種不同的狀態(tài),讓每個(gè)存儲(chǔ)單元都能存儲(chǔ)兩位數(shù)據(jù)。

  這塊PCM實(shí)驗(yàn)芯片使用90納米工藝制造,擁有20萬(wàn)個(gè)存儲(chǔ)單元,已經(jīng)經(jīng)過(guò)了5個(gè)月的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn),證明達(dá)到了企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)設(shè)備的要求。IBM的研發(fā)人員改進(jìn)了整個(gè)寫入流程,以“迭代式寫入”的方法精確地控制存儲(chǔ)單元的電阻率,還利用先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)提高了存儲(chǔ)的可靠性。

  “組織和消費(fèi)者越來(lái)越傾向于云計(jì)算模式。”蘇黎世研發(fā)中心的存儲(chǔ)技術(shù)" title="存儲(chǔ)技術(shù)">存儲(chǔ)技術(shù)部門經(jīng)理Haris Pozidis說(shuō),“我們需要更強(qiáng)、更高效,而在價(jià)格上也可以接受的存儲(chǔ)技術(shù)。通過(guò)這項(xiàng)研究,我們?cè)谙嘧兇鎯?chǔ)實(shí)用化方面邁出了一大步。”

  的確如此。下一個(gè)新時(shí)代需要這樣的設(shè)備,更好的多位相變存儲(chǔ)器甚至可能親手把它的前輩—同樣誕生于IBM研發(fā)實(shí)驗(yàn)室的硬盤—徹底埋葬。但是那應(yīng)該不會(huì)在最近發(fā)生。根據(jù)IBM的計(jì)劃,多位相變存儲(chǔ)器的量產(chǎn)應(yīng)該會(huì)是2016年的事了。到底未來(lái)會(huì)不會(huì)是相變存儲(chǔ)器的天下,讓我們?cè)俚葞啄辍?/p>

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