相变存储器(PCM)与存储器技术的比较分析

　相变存储器(PCM)是新一代非挥发性存储器技术。透过比较PCM与现有的SLC和MLC NAND快闪存储器以及硬碟驱动器(HDD) 和固态硬碟(SSD)等系统解决方案，*估PCM的相对成本、效能和可靠度，可以了解PCM适用于哪里些应用领域，以及这项新技术的潜在价值。

　　当探讨PCM在存储器领域的定位时，必须注意其为具有重要优势的补充技术 (特别是当系统需求是重要的考虑因素的情况)，而非替代其它存储器的储存技术。不论是作为RAM还是NAND快闪存储器的补充，只要使用适量的PCM就能改进企业级计算机和电子商务等高端应用的可靠度和处理效能。

　　图1 PCM并非取代现有的存储器系统，而是可以作为互补

　　图2 相变存储器(PCM)集其它类型存储器的突出优点于一身，为高端应用和无线产品的系统设计工程师提供新的选择

　　PCM是利用材料中的可逆相态变化来储存信息的非挥发性存储器。物质以多种相态存在，如固态、液态、气态、凝结和离子。PCM 依赖于材料在不同相变时所表现出来的不同的电阻率特性。恒忆的PCM采用一种由锗、锑和碲三种元素组成的叫做GST的合金材料(Ge2Sb2Te5)。在非结晶状态时，GST合金的分子结构杂乱无序，因而电阻率也较高。相比之下，在晶体状态时，GST的分子结构整齐有序，电阻率相对较低。PCM的技术基础就是利用材料电阻率在两个相态之间的差异性。透过注入电流，可在材料局部产生强烈的焦耳热效应，引发相态变化。透过调整电压大小和施加的电流时长，可以调整最终的材料相态。

　　PCM有一些有趣的特性：如同NOR和NAND快闪存储器，PCM也是非挥发性存储器技术之一，因此保存资料并不需要重启电源。PCM 具备位元可修改功能，存储器保存的信息可以从1切换到0或者从0切换到1，无需单独的抹除步骤。PCM的特点是随机读取时间短。这个特性使处理器可直接从存储器执行代码，无需把代码复制到RAM的中间过程。PCM读取延时与每单元中任一位元的NOR快闪存储器相当，而读取效能则可与DRAM存储器媲美。PCM的写入速度可达到NAND快闪存储器的水平，因为不需要单独的抹除步骤，PCM的写入延时更短。相比之下，NOR快闪存储器的写入速度中等，但是抹除操作时间较长。[!--empirenews.page--]
PCM与存储器技术生命周期以及技术比较

　　如果植基于NAND快闪存储器技术的固态硬碟目前在很多应用领域中尚处于早期的推广阶段，那么 PCM则处于此存储器技术推广应用曲线的更早阶段。当*价一项技术时，工程师十分看重成本和价格。但当工程师思考一项新技术如何能提升正在开发的系统的效能时，会首先关注的是可靠度和效能，然后才会考虑成本的问题。故比较PCM与DRAM和NAND快闪存储器时，应该特别注意读写延时决定存储器效能，耐读写能力是衡量存储器可靠度的指标。

　　写入延时和耐写能力-PCM次于DRAM，但是明显快于NAND;读取延时和耐读能力–PCM接近DRAM的速度，明显优于 NAND;成本–就 SLC PCM、DRAM和SLC NAND快闪存储器裸片(300mm晶圆)的理论成本比较报告，NAND最便宜。PCM成本大约是NAND的1.2倍，DRAM成本大约是NAND的1.4倍。由此可见PCM明显优于DRAM，然而不能像NAND一样便宜，不过在这些技术中，很多技术的制程屏蔽总数量正趋于相同。

　　与SLC NAND相比，DRAM成本大约高40%，而PCM成本大约高20%。决定是否应用一项新的储存技术时，一般会应用以下经验法则：替代技术的成本应为现有技术的1/8到1/10。因此单从成本角度考量，PCM作为NAND快闪存储器替代技术的理由仍并不充分。

　　但可靠度为 PCM 胜出关键，许多NAND快闪存储器技术的可携式产品，如MP3播放器和随身碟。在正常使用的状况，这些设备需要写存储器10到100次，但尚未达到千次以上。透过最先进的微影技术，这些装置应用中的NAND快闪存储器技术可把成本降至极低的水平。而无线通讯、运算装置和固态硬碟等高端应用也使用NAND快闪存储器，但是这些应用具备各别不同的使用条件和要求。某项技术可能是 MP3 播放器的理想选择，但在企业级服务器上的应用却可能受限。

　　对于任何一种非挥发性浮动闸极存储器(non-volitile floating gate memory device)，读写存储器次数越多，失效次数也随之增加，资料储存期限也会缩短。PCM有趣的特性之一即是保存期限与耐读写次数无关，意即不管读取 PCM存储器一百万次还是1次，都不会改变资料储存的期限。这项特性深刻地影响此技术的使用与管理。资料储存期限在许多严苛的应用中都极为重要，而恒忆已证实PCM的资料储存期限可长达10年。

　　另一方面，由于失效一般发生在写入的操作过程中，因此当PCM写入资料时，如果写入验证机制显示该单元无数据，该资料则会立即被重写到另一个储存单元。这也是运用 PCM简化系统级设计的优化功能。故PCM是适于无线应用的低功耗存储器，目前新一代智能手机用户，对于手机有三个基本要求：快速开机(instent on)、使用简便且电池使用时间长，以及优异的多媒体、游戏和上网功能。

　　PCM具备优异的读取延时特性，意即其代码执行能力符合新一代无线用户的需求。PCM能储存大量的资料和代码，并具有承受百万次的读写能力。凭借PCM非挥发性存储器技术的特性，除能简化无线设备的电源管理设计，同时还有助于彻底解决效能与电池使用时间难以平衡的困扰。以整合了LPDDR2存储器控制器的微处理器平台为例，系统设计人员利用PCM的低功耗特性而能仅使用一个非挥发性存储器，进而简化了手机架构。

　　PCM的效能与商业价值

　　运用存储器技术提高运算效能有两个基本方式：增加频宽以传输更多资料与缩短延时以提高资料速率。在效能第一的高端应用中，增加频宽需要增加更多的 RAM、硬碟机和服务器。提升读写延时效能，可用回应速度是微秒(microsecond)级别的固态硬碟，取代毫秒(milisecond)级别的硬碟。后一种方法趋于降低总拥有成本(total cost of ownership, TCO)，因为新增一个延时较短的服务器比增加三到四个服务器更划算。经由比较发现，PCM的写入时延大约是1微秒，约为 SLC NAND快闪存储器的100倍，硬碟驱动器的100,000倍左右。PCM的读取延时也同样出色，大约是50-100奈秒，是 SLC NAND快闪存储器的100倍左右，大约是硬碟机的100,000倍。

　　在电子商务世界，即便延时取得很小的改进，都会产生极大的价值：据Amazon报告，每增加100毫秒延时，都会损失1%的销售额。据Google报告，搜索网页生成时间每增加500毫秒，流量会降低20%。据分析公司Tabb Group报告，即使某券商的电子交易平台比竞争对手只慢5毫秒，他每毫秒也可能会损失400万美元。

　　作为RAM和固态硬碟间中介系统，PCM的确具备极高的价值，因为高端系统使用低延时PCM技术，不管是作为RAM或是NAND的补充，只要运用适量的PCM，就能大幅提升效能。当PCM未来开始应用于高端设备后，可以预期这项技术的普及率即会逐步升高。