相變化內存原理分析及設計使用技巧

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。