相變存儲器

近年來，非易失性存儲技術在許多方面都取得了一些重大的進展，為計算機系統的存儲能效提升帶來了新的契機，研究者們建議採用新型NVM技術來替代傳統的存儲技術，以適應計算機技術發展對高存儲能效的需求。以相變存儲器為代表的多種新型NVM技術因具備高集成度、低功耗等特點而受到國內外研究者的廣泛關注。特別地，PCRAM因其具備非易失性、可位元組定址等特性而同時具備作為主存和外存的潛力，在其影響下，主存和外存之間的界限也正在逐漸變得模糊，甚至有可能對未來的存儲體系結構帶來重大的變革。因此，它被認為是極具發展前景、最有可能完全替代DRAM的新型NVM技術之一。

二十世紀五十年代至六十年代，Dr. Stanford Ovshinsky開始研究無定形物質的性質。無定形物質是一類沒有表現出確定、有序的結晶結構的物質。1968年，他發現某些玻璃在變相時存在可逆的電阻係數變化。1969年，他又發現激光在光學存儲介質中的反射率會發生響應的變化。1970年，他與他的妻子Dr. Iris Ovshinsky共同建立的能量轉換裝置（ECD）公司，發布了他們與Intel的Gordon Moore合作的結果。1970年9月28日在Electronics發布的這一篇文章描述了世界上第一個256位半導體相變存儲器。

2011年8月31日，中國首次完成第一批基於相變存儲器的產品晶元。

2015年，《自然·光子學》雜誌布了世界上第一個或可長期存儲數據且完全基於光的相變存儲器。

PCM器件的典型結構由頂部電極、晶態GST、α/晶態GST[、熱絕緣體、電阻（加熱器）、底部電極組成。

相變存儲器（PCM）是一種非易失存儲設備，它利用材料的可逆轉的相變來存儲信息。同一物質可以在諸如固體、液體、氣體、冷凝物和等離子體等狀態下存在，這些狀態都稱為相。相變存儲器便是利用特殊材料在不同相間的電阻差異進行工作的。

在非晶態下，GST材料具有短距離的原子能級和較低的自由電子密度，使得其具有較高的電阻率。由於這種狀態通常出現在RESET操作之後，一般稱其為RESET狀態，在RESET操作中DUT的溫度上升到略高於熔點溫度，然後突然對GST淬火將其冷卻。冷卻的速度對於非晶層的形成至關重要。非晶層的電阻通常可超過1兆歐。

在晶態下，GST材料具有長距離的原子能級和較高的自由電子密度，從而具有較低的電阻率。由於這種狀態通常出現在SET操作之後，我們一般稱其為SET狀態，在SET操作中，材料的溫度上升高於再結晶溫度但是低於熔點溫度，然後緩慢冷卻使得晶粒形成整層。晶態的電阻範圍通常從1千歐到10千歐。晶態是一種低能態；因此，當對非晶態下的材料加熱，溫度接近結晶溫度時，它就會自然地轉變為晶態。

典型的GST PCM器件結構頂部電極、晶態GST、α/晶態GST、熱絕緣體、電阻（加熱器）、底部電極組成。一個電阻連接在GST層的下方。加熱/熔化過程隻影響該電阻頂端周圍的一小片區域。擦除/RESET脈衝施加高電阻即邏輯0，在器件上形成一片非晶層區域。擦除/RESET脈衝比寫/SET脈衝要高、窄和陡峭。SET脈衝用於置邏輯1，使非晶層再結晶回到結晶態。

相變存儲器材料具有存取速度快和可靠性高等優點，有比其他存儲器更廣闊的應用空間和更好的發展趨勢，有望替代目前被公眾熟知的傳統存儲技術，如應用於U盤的可斷電存儲的快閃記憶體技術，又如應用於電腦內存的不斷電存儲的DRAM技術等等。雖然人們漸漸的認識到了新存儲技術的優越性，但如何將其應用在實際中卻各有差異。

從目前的研究可以看出相變存儲器主要可以用來替代計算機主存、硬碟和快閃記憶體：

①相變存儲器訪問相應時間短，並且具有位元組可定址特性，其寫延遲約為DRAM的10倍，使他在設計參考中固件代碼的直接執行上顯現出優勢，並廣泛研究用來作為DRAM的替代品，傳統使用的DRAM的方法是在計算機斷電後主存的數據全部丟失，計算機重啟需要重新從外存讀取操作系統數據，消耗較多時間，之前部分研究者採用將NOR快閃記憶體作為主存，可以解決計算機掉電數據丟失問題，但是快閃記憶體有擦寫次數有限，隨機寫性能較差，寫延遲較大等的缺點，而採用相變存儲器或者基於相變存儲器的異構主存方法可以更好地解決上述問題；

②相變存儲器的隨機讀寫性能能夠有效地解決大規模科學計算中小粒度隨機I/O對磁碟訪問所造成的I/O瓶頸，用相變存儲器代替傳統的硬碟具有很大的優勢；

③快閃記憶體和相變存儲器都是新型非易失性存儲器，沒有機械裝置並且可隨機讀寫，但是和相變存儲器相比，快閃記憶體的讀寫性能略顯不足，特別是寫入前需要整塊擦除的缺陷，導致快閃記憶體只能通過一系列更加複雜的技術化才能替代存儲系統的部分功能。

相變存儲器還有其他很多方面的應用，適用於固線和無線通信設備、消費電子、PC和其他嵌入式應用設備：比如應用在航天器領域中的嵌入系統中、用在智能電錶中可以對其儲存構架進行進一步整合等。另外，根據相變存儲器存在的一些不足，在提高存儲密度、降低成本和提高耐寫能力方面需要進一步的研究，才能更好的推動相變存儲器的應用與發展。