相變存儲器技術基礎

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。本文將介紹相變存儲器的基本技術與功能。

發展歷史與背景

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系數變化。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。

近30年后，能量轉換裝置（ECD）公司與Micron Technology前副主席Tyler Lowery建立了新的子公司Ovonyx。在2000年2月，Intel與Ovonyx發表了合作與許可協議，此份協議是現代PCM研究與發展的開端。2000年12月，STMicroelectronics（ST）也與Ovonyx開始合作。至2003年，以上三家公司將力量集中，避免重復進行基礎的、競爭的研究與發展，避免重復進行延伸領域的研究，以加快此項技術的進展。2005年，ST與Intel發表了它們建立新的閃存公司的意圖，新公司名為Numonyx。

在1970年第一份產品問世以后的幾年中，半導體制作工藝有了很大的進展，這促進了半導體相變存儲器的發展。同時期，相變材料也愈加完善以滿足在可重復寫入的CD與DVD中的大量使用。Intel開發的相變存儲器使用了硫屬化物（Chalcogenides），這類材料包含元素周期表中的氧/硫族元素。Numonyx的相變存儲器使用一種含鍺、銻、碲的合成材料（Ge2Sb2Te5），多被稱為GST。現今大多數公司在研究和發展相變存儲器時都都使用GST或近似的相關合成材料。今天，大部分DVD-RAM都是使用與Numonyx相變存儲器使用的相同的材料。

工作原理

相變硫屬化物在由無定形相轉向結晶相時會表現出可逆的相變現象。如圖1，在無定形相，材料是高度無序的狀態，不存在結晶體的網格結構。在此種狀態下，材料具有高阻抗和高反射率。相反地，在結晶相，材料具有規律的晶體結構，具有低阻抗和低反射率。

圖1 來源：Intel，Ovonyx

相變存儲器利用的是兩相間的阻抗差。由電流注入產生的劇烈的熱量可以引發材料的相變。相變后的材料性質由注入的電流、電壓及操作時間決定。基本相變存儲器存儲原理如圖2所示。

圖2 相變存儲原理示例

如圖所示，一層硫屬化物夾在頂端電極與底端電極之間。底端電極延伸出的加熱電阻接觸硫屬化物層。電流注入加熱電阻與硫屬化物層的連接點后產生的焦耳熱引起相變。右圖為此構想的實際操作，在晶體結構硫屬化物層中產生了無定形相的區域。由于反射率的差異，無定形相區域呈現如蘑菇菌蓋的形狀。

相變存儲器的特性與功能

相變存儲器兼有NOR-type flash、memory NAND-type flash memory和 RAM或EEpROM相關的屬性。這些屬性如圖3的表格。

圖3 相變存儲器的屬性：這種新型非易失存儲器兼有NOR、NAND和RAM的優點

一位可變

如同RAM或EEPROM，PCM可變的最小單元是一位。閃存技術在改變儲存的信息時要求有一步單獨的擦除步驟。而在一位可變的存儲器中存儲的信息在改變時無需單獨的擦除步驟，可直接由1變為0或由0變為1。

非易失性

相變存儲器如NOR閃存與NAND閃存一樣是非易失性的存儲器。RAM需要穩定的供電來維持信號，如電池支持。DRAM也有稱為軟錯誤的缺點，由微粒或外界輻射導致的隨機位損壞。早期Intel進行的兆比特PCM存儲陣列能夠保存大量數據，該實驗結果表明PCM具有良好的非易失性。

讀取速度

如同RAM和NOR閃存，PCM技術具有隨機存儲速度快的特點。這使得存儲器中的代碼可以直接執行，無需中間拷貝到RAM。PCM讀取反應時間與最小單元一比特的NOR閃存相當，而它的的帶寬可以媲美DRAM。相對的，NAND閃存因隨機存儲時間長達幾十微秒，無法完成代碼的直接執行。

寫入/擦除速度

PCM能夠達到如同NAND的寫入速度，但是PCM的反應時間更短，且無需單獨的擦除步驟。NOR閃存具有穩定的寫入速度，但是擦除時間較長。PCM同RAM一樣無需單獨擦除步驟，但是寫入速度（帶寬和反應時間）不及RAM。隨著PCM技術的不斷發展，存儲單元縮減，PCM將不斷被完善。

縮放比例

縮放比例是PCM的第五個不同點。NOR和NAND存儲器的結構導致存儲器很難縮小體型。這是因為門電路的厚度是一定的，它需要多于10V的供電，CMOS邏輯門需要1V或更少。這種縮小通常被成為摩爾定律，存儲器每縮小一代其密集程度提高一倍。隨著存儲單元的縮小，GST材料的體積也在縮小，這使得PCM具有縮放性。

結論

相變存儲器是一種很有發展前景的存儲技術，近年來再次引起了研究人員的注意。相變存儲器利用可逆的相變現象，通過兩相間的阻抗差異來存儲信息。Numonyx的早期工作和取得的進展，將該技術推向了可讀寫存儲領域的前沿。相變存儲器集成了NOR閃存、NAND閃存、EEPROM和RAM的特性于一體，這些功能連同存儲系統低耗用的潛能，將能夠在廣泛地創造出新的應用和存儲架構。

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