相變化內存(Phase Change Memory，PCM)是一項全新的內存技術，目前有多家公司在從事該技術的研發(fā)活動。這項技術集當今揮發(fā)性內存和非揮發(fā)性內存兩大技術之長，為系統(tǒng)工程師提供極具吸引力的技術特性和功能。工程師無需再費時解決過去幾年必須設法克服的所謂內存技術的奇怪特性。因此，當采用NOR或NAND閃存設計系統(tǒng)時，工程師必須掌握許多變通技巧。

　　由于相變化內存簡單易用，設計人員可以把以前的奇怪東西全部忘掉。相變化內存還有助于大幅縮短產品上市時間，提高系統(tǒng)效能和編碼容量，降低產品成本。應用設計通常需要RAM內存芯片以補償閃存的慢速且錯綜復雜的程序設計協(xié)議。在改用相變化內存后，還能降低許多設計對RAM芯片的容量要求，甚至根本不再需要RAM芯片。因此設計人員已經發(fā)現(xiàn)在許多設計狀況中把現(xiàn)有設計的閃存改由相變化內存取代的確是非常值得一試的。

　　為什么選用相變化內存

　　為什么相變化內存很有前景，為什么現(xiàn)在正式接近量產?提出這兩個問題有很多理由。時至今日，相變化內存尚未在市場上蓬勃發(fā)展的最大原因是，現(xiàn)有內存技術的經濟效益遠高于任何 新的替代技術。這是每項新技術進入市場時都必須面臨的狀況，也有許多新技術因而在初引入時被擋在市場大門外。

　　對于特定的工藝技術，這些替代內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存市場上，若想替代現(xiàn)有技術，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存在近期引起市場相當大的關注。首先，材料技術在過去十年取得長足進步，現(xiàn)在制造生產相變化內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，科學家對這些材料的物理性質的了解也取得相當大的進步。工藝技術節(jié)點縮小也發(fā)揮了相應的作用：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)需要相當大的能量。隨著工藝技術節(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節(jié)點極限的觀點，也驅動了后續(xù)技術研發(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節(jié)點的時代很快就會到來，屆時閃存產業(yè)將必須改變技術。

　　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的電子的數(shù)量在逐步減少。在大約八年后，當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(MLC)，在一個多噪聲的環(huán)境內，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)有應用的可靠性要求。

　　相變化內存已經上市銷售。三星(Samsung)于2004年發(fā)布一個PRAM原型，是第一個即將投產的相變化內存。不久之后，恒憶(Numonyx)推出了一個相變化內存原型，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，這個市場十分關注相變化內存，因為這項技術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計人員表示，當使用比較老的傳統(tǒng)的內存技術時，他們必須解決很多技術難題，而這項技術正好能夠協(xié)助他們根除這些問題。

　　在一個典型的系統(tǒng)中，非揮發(fā)性內存和RAM內存都會被用到，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)性內存和非揮發(fā)性內存的管理任務，而這大大增加了系統(tǒng)的復雜程度。

　　即便有了這種輔助功能，當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，導致價格大幅提升。在某些狀況下，使用基于相變化內存的系統(tǒng)就可以避免這個問題。

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

　　閃存的復雜之處

　　閃存很難管理。曾有設計工程師形容管理閃存的過程是一種“非常復雜的舞蹈”。曾經采用NAND或NOR閃存設計系統(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，這使閃存管理任務變得極其復雜。

　　與基于閃存的設計相比，相變化內存帶來的問題非常少。相變化內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。在相變化內存內，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，相變化內存的寫入操作更類似于RAM，而不像NAND或NOR閃存。

　　相變化內存寫入操作速度快，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，相變化內存不需要NAND閃存的錯誤校驗功能，因為相變化內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。有人稱相變化內存是“最適合韌體/軟件工程師用的非揮發(fā)性內存”。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。在今日的設計中，每個內存應用都需要自己獨有的內存拓撲，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就會失去全部內容。相變化內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)性內存芯片搭配RAM芯片使用。

　　相變化內存還有一個好處，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，這在除相變化內存以外的其它任何拓撲中都是不可能的。

　　相變化內存的工作原理

　　相變化內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，在相變化內存內，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)之間轉換。設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生一個非晶或不導電的材料結構(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，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節(jié)點縮小而變小，因此與采用大技術節(jié)點的上一代相變化內存相比，采用小技術節(jié)點相變化內存更容易進行寫入操作。相變化內存技術的技術節(jié)點極限遠遠小于NAND和NOR閃存(圖3)。

　　相變化內存的讀寫速度可媲美閃存，將來會接近DRAM的速度。從系統(tǒng)架構角度看，相變化內存的優(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。

　　內存芯片價格取決于制造成本，Objective Analysis估計。相變化內存制造商將會把制造成本逐步降至競爭技術的水平。相變化內存的每gigabyte價格是DRAM的大約25倍，但相變化內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，相變化內存的制造成本將能夠降到DRAM成本之下。

　　隨著工藝技術節(jié)點和晶圓直徑達到DRAM的水平，芯片產量足以影響規(guī)模經濟效益，預計到2015至2016年，相變化內存的每GB(gigabyte)價格將低于DRAM的平均價格。雖然相變化內存向多層單元(multi-level cells)進化，該技術制造成本將會降至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。再早關注相變化內存技術也不算早。我們知道閃存正在接近其不可避免的技術升級的極限，相變化內存等技術必將取而代之。相變化內存廠商透露，在2015年左右，這項技術的價格將會與DRAM的價格持平，屆時相變化內存將開啟一個全新的內存系統(tǒng)設計思維方式。