《電子技術(shù)應(yīng)用》
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相變化內(nèi)存原理分析及設(shè)計使用技巧
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摘要: 相變化內(nèi)存(Phase Change Memory,PCM)是一項全新的內(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。這項技術(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。工程師無需再費時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)計系統(tǒng)時,工程師必須掌握許多變通技巧。
關(guān)鍵詞: 相變化內(nèi)存 PCM
Abstract:
Key words :

相變化內(nèi)存(Phase Change Memory,PCM)是一項全新的內(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。這項技術(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。工程師無需再費時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)計系統(tǒng)時,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)計通常需要RAM內(nèi)存芯片以補償閃存的慢速且錯綜復(fù)雜的程序設(shè)計協(xié)議。在改用相變化內(nèi)存后,還能降低許多設(shè)計對RAM芯片的容量要求,甚至根本不再需要RAM芯片。因此設(shè)計人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在許多設(shè)計狀況中把現(xiàn)有設(shè)計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)?提出這兩個問題有很多理由。時至今日,相變化內(nèi)存尚未在市場上蓬勃發(fā)展的最大原因是,現(xiàn)有內(nèi)存技術(shù)的經(jīng)濟效益遠高于任何 新的替代技術(shù)。這是每項新技術(shù)進入市場時都必須面臨的狀況,也有許多新技術(shù)因而在初引入時被擋在市場大門外。

對于特定的工藝技術(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被打破,因為在今后幾年,相變化內(nèi)存與DRAM的成本差距將會變小。

正面來說,幾個原因使得相變化內(nèi)存在近期引起市場相當(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展,現(xiàn)在被用于大規(guī)模制造CD-R和CD-RW光盤。

同時,科學(xué)家對這些材料的物理性質(zhì)的了解也取得相當(dāng)大的進步。工藝技術(shù)節(jié)點縮小也發(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)點縮小,以前像一片海洋的加熱材料,現(xiàn)在變得像一個浴盆大小。

最后,業(yè)界普遍接受閃存即將達到技術(shù)節(jié)點極限的觀點,也驅(qū)動了后續(xù)技術(shù)研發(fā)活動以超越這個極限。盡管閃存升級極限被向后推遲多年,但是所有閃存廠商都承認,閃存無法升級到下一個技術(shù)節(jié)點的時代很快就會到來,屆時閃存產(chǎn)業(yè)將必須改變技術(shù)。

圖1描述了閃存升級極限后的現(xiàn)象:儲存在一個閃存位內(nèi)的電子的數(shù)量在逐步減少。在大約八年后,當(dāng)NAND和NOR其中一種閃存升級到10nm工藝節(jié)點前,每位所儲存的電子數(shù)不到10個。

對于一個多級單元架構(gòu)(MLC),在一個多噪聲的環(huán)境內(nèi),10個電子數(shù)量太少,無法儲存多位數(shù)據(jù),實際要求每位電子數(shù)量接近100個,遠遠高于10個。即使達到這個指標,如此少的電子數(shù)量使其很難達到現(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PRAM原型,是第一個即將投產(chǎn)的相變化內(nèi)存。不久之后,恒憶(Numonyx)推出了一個相變化內(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出售C-RAM芯片,這個市場十分關(guān)注相變化內(nèi)存,因為這項技術(shù)能夠抵抗阿爾法粒子輻射引起的數(shù)據(jù)位錯誤。

試用過這些芯片的設(shè)計人員表示,當(dāng)使用比較老的傳統(tǒng)的內(nèi)存技術(shù)時,他們必須解決很多技術(shù)難題,而這項技術(shù)正好能夠協(xié)助他們根除這些問題。

在一個典型的系統(tǒng)中,非揮發(fā)性內(nèi)存和RAM內(nèi)存都會被用到,前者用于保存編碼,后者用作高速緩存,有時也用于儲存其它編碼。為了避免使程序員處理不同類型的記憶體,操作系統(tǒng)隱藏了各類內(nèi)存間的差異,以對其它程序透明的方式,執(zhí)行對揮發(fā)性內(nèi)存和非揮發(fā)性內(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)使用只讀編碼儲存空間儲存編碼,以只讀數(shù)據(jù)儲存空間儲存數(shù)據(jù)時,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,即便超出一個字節(jié),那部分儲存空間就必須擴大一倍,導(dǎo)致價格大幅提升。在某些狀況下,使用基于相變化內(nèi)存的系統(tǒng)就可以避免這個問題。

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

閃存的復(fù)雜之處

閃存很難管理。曾有設(shè)計工程師形容管理閃存的過程是一種“非常復(fù)雜的舞蹈”。曾經(jīng)采用NAND或NOR閃存設(shè)計系統(tǒng)的工程師可以證實這點,閃存管理需要考慮許多因素,例如:損耗均衡、讀寫同步和壞塊管理,這使閃存管理任務(wù)變得極其復(fù)雜。

與基于閃存的設(shè)計相比,相變化內(nèi)存帶來的問題非常少。相變化內(nèi)存支持位元組修改功能,因此沒有NAND和NOR閃存的寫入之前需先擦除區(qū)塊的步驟,因而大幅簡化了寫入操作。在相變化內(nèi)存內(nèi),邏輯1可以變?yōu)檫壿?,反之亦然;所以在寫入操作之前無需進行一次擦除操作,相變化內(nèi)存的寫入操作更類似于RAM,而不像NAND或NOR閃存。

相變化內(nèi)存寫入操作速度快,無需NAND或NOR的擦除操作。因此,不再需要同步讀寫功能,程序設(shè)計師幾乎不必再寫專門的編碼,以防止在最新的寫入操作附近發(fā)生讀取操作。

相變化內(nèi)存的隨機尋址類似于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閃存的錯誤校驗功能,因為相變化內(nèi)存能夠保證所有位保存的數(shù)據(jù)與寫入的數(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。有人稱相變化內(nèi)存是“最適合韌體/軟件工程師用的非揮發(fā)性內(nèi)存”。相變化記憶體另外還有一個好處:編碼儲存區(qū)和數(shù)據(jù)儲存區(qū)之間的界限比以前更加靈活。在今日的設(shè)計中,每個內(nèi)存應(yīng)用都需要自己獨有的內(nèi)存拓撲,通常是:

_NOR和SRAM

_NOR+NAND和SRAM或PSRAM

_NOR或NAND+DRAM或移動SDRAM

這些系統(tǒng)很少用非揮發(fā)性內(nèi)存保存臨時數(shù)據(jù),也從來不用RAM保存編碼,因為在如果沒電RAM就會失去全部內(nèi)容。相變化內(nèi)存有助于簡化這些配置,保存數(shù)據(jù)和編碼可以只用單一相變化內(nèi)存芯片或一個PCM數(shù)組,在一般情況下就不再需要將非揮發(fā)性內(nèi)存芯片搭配RAM芯片使用。

相變化內(nèi)存還有一個好處,程序員現(xiàn)在只需考慮編碼量和數(shù)據(jù)量,而不必擔(dān)心編碼和數(shù)據(jù)的儲存空間是兩個分開的儲存區(qū)。如果數(shù)據(jù)儲存空間增加幾個字節(jié),還可以從編碼儲存空間“借用”儲存空間,這在除相變化內(nèi)存以外的其它任何拓撲中都是不可能的。

相變化內(nèi)存的工作原理

相變化內(nèi)存有晶體和非晶體兩種狀態(tài),正是利用這種特殊材料的變化狀態(tài)決定數(shù)據(jù)位是1還是0。和利用液晶的方向阻擋光線或傳遞光線的液晶顯示器同樣原理,在相變化內(nèi)存內(nèi),儲存數(shù)據(jù)位的硫系玻璃可以允許電流通過(晶態(tài)),或是阻止電流通過(非晶態(tài))。

在相變化內(nèi)存的每個位的位置都有一個微型加熱器,通過熔化然后再冷卻硫系玻璃,來促進晶體成長或禁止晶體成長,每個位就會在晶態(tài)與非晶態(tài)之間轉(zhuǎn)換。設(shè)定的脈沖信號將溫度升高到玻璃熔化的溫度,并維持在這個溫度一段時間;一旦晶體開始生長,就立即降低溫度。一個復(fù)位脈沖將溫度升高,然后在熔化材料形成晶體前快速降低溫度,這個過程在該位位置上產(chǎn)生一個非晶或不導(dǎo)電的材料結(jié)構(gòu)(圖2)。

加熱器的尺寸非常小,能夠快速加熱微小的硫系材料的位置,加熱時間在納秒量級內(nèi),這個特性準許進行快速寫入操作、防止讀取操作干擾相鄰的數(shù)據(jù)位。此外,加熱器的尺寸隨著工藝技術(shù)節(jié)點縮小而變小,因此與采用大技術(shù)節(jié)點的上一代相變化內(nèi)存相比,采用小技術(shù)節(jié)點相變化內(nèi)存更容易進行寫入操作。相變化內(nèi)存技術(shù)的技術(shù)節(jié)點極限遠遠小于NAND和NOR閃存(圖3)。

相變化內(nèi)存的讀寫速度可媲美閃存,將來會接近DRAM的速度。從系統(tǒng)架構(gòu)角度看,相變化內(nèi)存的優(yōu)點是沒有擦除過程,每個位都可以隨時單獨置位或復(fù)位,不會影響其它的數(shù)據(jù)位,這一點突破了NAND和NOR閃存的區(qū)塊擦除限制。

內(nèi)存芯片價格取決于制造成本,Objective Analysis估計。相變化內(nèi)存制造商將會把制造成本逐步降至競爭技術(shù)的水平。相變化內(nèi)存的每gigabyte價格是DRAM的大約25倍,但相變化內(nèi)存的儲存單元比最先進的DARM的儲存單元更小,所以一旦工藝和芯片達到DRAM的水平時,相變化內(nèi)存的制造成本將能夠降到DRAM成本之下。

隨著工藝技術(shù)節(jié)點和晶圓直徑達到DRAM的水平,芯片產(chǎn)量足以影響規(guī)模經(jīng)濟效益,預(yù)計到2015至2016年,相變化內(nèi)存的每GB(gigabyte)價格將低于DRAM的平均價格。雖然相變化內(nèi)存向多層單元(multi-level cells)進化,該技術(shù)制造成本將會降至DRAM價格的二分之一以下,從而成為繼NAND之后第二個成本最低的技術(shù)。再早關(guān)注相變化內(nèi)存技術(shù)也不算早。我們知道閃存正在接近其不可避免的技術(shù)升級的極限,相變化內(nèi)存等技術(shù)必將取而代之。相變化內(nèi)存廠商透露,在2015年左右,這項技術(shù)的價格將會與DRAM的價格持平,屆時相變化內(nèi)存將開啟一個全新的內(nèi)存系統(tǒng)設(shè)計思維方式。

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