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相變存儲器的淺談論文
一、引言
非易失性存儲器(non—volatile memory,NVM)在信息技術中扮演著重要的角色。傳統非易失性存儲器主要包括EPROM(可擦寫可編程只讀存儲器)、EEPROM(電可擦可編程只讀存儲器)、Flash(閃存)等。在當前市場中,Flash存儲器漸漸占據了統治地位。但是,flash存儲器也存在著一些問題.其在讀寫過程中的高能熱電子可能會引起存儲器本身的損壞,影響器件可靠性;同時,Flash存儲器在對某一位數據進行擦除時,需要將整個數據塊的數據擦除,這大大影響了存儲器的速度。隨著技術的進步,鐵電存儲器、磁存儲器等也開始嶄露頭腳,目前最引人矚目的當屬相變存儲器了。
二、相和相變
相是理化上的一個概念,它表示某種物質化學性質沒有變化,但是其物理狀態已經改變,如水在物理上有氣相、液相、固相的狀態。而相變就是當外部環境變化時從一種相到另外一種相的過程。相變導致很多物理性質的改變,如光的折射率、電阻率等等。如果想利用物質的相變存儲信息,就必須保證相的狀態是穩定的。目前相變存儲器就是利用硫族化合物晶態和非晶態之間轉化后導電性的差異來存儲數據。
三、相變存儲器的原理
相變存儲器的數據的寫入和讀取分為三個過程,分別是“Set”、“Reset”和“Read”。
“Reset”是邏輯復位“0”:瞬間施加一個窄而強的電流,大約10ns。而后快速的冷卻,讓相變材料從晶體變為非晶體,電阻率提高兩個數量級以上。呈高阻態。邏輯為“0”。
“Set”是設置邏輯“1”:施加寬而弱的電流,大約幾十ns。讓相變材料漸漸結晶。降低電阻率,實現設置邏輯“1”。
“Read”是讀取過程:在兩端施加足夠低的電壓以測量。如果得到較小的電流說明呈高阻態,即邏輯“0”,如果電流較大,即是“1”。由于兩端的功率很小,因此不會改變存儲的數據。是非破壞讀取。
四、相變存儲器的優缺點
(一)優點
1.高讀寫速度。相變材料結晶速度一般在50ns以下,寫入速度快。與一般NAND和NOR(兩種目前流行的非易失性閃存)有所不同的是,PCM寫入新數據時不用執行擦除過程。這意味著PCM就可以從存儲器直接執行代碼,不需要將代碼讀入RAM執行,而NAND和NOR則無法直接讀取并運行代碼。
2.壽命長,存儲穩定。PCM是以物質的不同相作為存儲信息的方式,因此只要不超過晶化溫度,一般來說不會丟失數據。由于它存儲數據不牽扯電子轉移等問題,它能執行的穩定讀寫次數可達1012~1015,與之對比MLC NAND和SLC NADA相形見絀,甚至超過了SARM和DRAM的次數。而且PCM具有抗高輻射,強震動,抗電子干擾等特性,因此在軍事和嚴酷條件要求下也有很大用武之地。
3.工藝簡單,潛力大。與其他一些未來存儲器技術對比,PCM的工藝較為容易實驗。在目前CMOS工藝之上,只需增加2~4次掩膜即可。作為一種商業產品,任何一家企業都不會放棄如此大的商業利潤,同時也推動著PCM技術不斷進步。
4.多態存儲和多層存儲
多態存儲即在同一個存儲單位中存儲多個數據。相變材料最大阻值和最小阻值往往相差幾個數量級,這樣就給多態存儲留下了很大空間。多層存儲是可將多個PCM堆疊起來,形成一個三維的存儲陣列,從而為大容量,小空間,低功耗開辟了新道路。
(二)缺點
1.單位成本高。相對目前流行的MLC NADA,單位容量成本較高,這也是當年閃存所經歷的過程,隨著工藝的完善相信能夠得到解決。
2.發熱和耗能過大。因為完成相變過程就是依靠電壓、電流控制發熱功率來實現的。隨著節點的越來越小,對加熱控制元件要求也就越高,與此帶來的發熱問題就越來越明顯。發熱和耗能是目前制約其發展的重要原因。
3.電路設計不完善。目前相變材料五花八門和熱傳導效應,PCM電路設計較其他存儲器有很大不同當高速度、大數據量時對電路要求就十分苛刻,在這方面PCM還有很長的路要走。
五、相變存儲器今后發展
作為一種新型的非易失性存儲器,它集DRAM,NADN,EEPROM各種存儲器的優點一體。目前相變存儲器在嵌入式系統中發展迅速,三星公司利用PCM已完成試驗機的測試。但是否能在存儲器市場像NADN一樣流行,必須解決成較高和容量普遍偏小的局面。我國目前在這方便也取得一定的成績,但是較國外英特爾、三星、日立等大公司差距依舊很大。相變存儲器在飛速發展的同時,FERAM(鐵電存儲器)、MRAM(磁性存儲器)、RERAM(電阻記憶體)等新興非易失性存儲器也在飛速發展,在未來的存儲器市場競爭中到底誰能取得勝利,尚不可知。
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