相变化内存开创新型内存系统设计

对于一个多级单元架构(MLC)，在一个多噪声的环境内，10个电子数量太少，无法储存多位数据，实际要求每位电子数量接近100个，远远高于10个。即使达到这个指标，如此少的电子数量使其很难达到现有应用的可靠性要求。

相变化内存已经上市销售。三星(Samsung)于2004年发布一个PRAM原型，是第一个即将投产的相变化内存。不久之后，恒忆(Numonyx)推出了一个相变化内存原型，在2008年底前，已开始限量出货。从2006年起，BAE系统公司一直在航天航空市场出售C-RAM芯片，这个市场十分关注相变化内存，因为这项技术能够抵抗阿尔法粒子辐射引起的数据位错误。

试用过这些芯片的设计人员表示，当使用比较老的传统的内存技术时，他们必须解决很多技术难题，而这项技术正好能够协助他们根除这些问题。

在一个典型的系统中，非挥发性内存和RAM内存都会被用到，前者用于保存编码，后者用作高速缓存，有时也用于储存其它编码。为了避免使程序员处理不同类型的记忆体，操作系统隐藏了各类内存间的差异，以对其它程序透明的方式，执行对挥发性内存和非挥发性内存的管理任务，而这大大增加了系统的复杂程度。

即便有了这种辅助功能，当使用只读编码储存空间储存编码，以只读数据储存空间储存数据时，程序员还是受限某些限制。如果编码或数据量大于内存的容量，即便超出一个字节，那部分储存空间就必须扩大一倍，导致价格大幅提升。在某些状况下，使用基于相变化内存的系统就可以避免这个问题。

相变化内存改变了游戏规则。编码和数据不必再分开储存在非挥发性内存和RAM的两个容量固定的模块内。编码和数据可以保存在一个内存内。对于小型系统的设计人员，这种方法可以减少芯片数量，降低功耗。读写内存和只读存储器之间不再有固定的界限，对于小型系统和大型系统的设计人员是莫大的福音。

闪存的复杂之处

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)。