相變存儲器：能實現全新存儲器使用模型的新型存儲器

從下面的幾個重要特性看，相變存儲器（PCM）技術均符合當前電子系統對存儲器子系統的需求：

容量
– 因為消費電子、計算機、通信三合一的應用趨勢，所有電子系統的代碼量都以冪指數的速率增長，數據增長速率甚至更快。
帶寬和能耗
– 在應用高度融合的電子系統中，為了加快上網速度，采用帶寬衡量系統性能；為了增強產品的移動使用性，采用功耗評價系統性能。存儲器設計必須支持市場對擴大帶寬和降低功耗的日益增長的需求。非易失性固態存儲器是降低功耗的最佳方法。
存儲器系統
– 為提高電子系統的總體性能，設計人員越來越關注存儲器系統的容量、技術性能、封裝和接口等參數。
緩存
?– “存儲器系統”概念不支持根據技術給存儲器分類，而支持根據最終設備的帶寬需求給存儲器分類，從而在克服存儲器技術上存在的設計難題，通過暫時保留并優化組合不同的存儲器技術，以降低產品的成本，提升系統性能。

帶寬分類
從較高層次上說，我們可以考慮三大帶寬類別：代碼、數據流和數據存儲。

代碼
– 讀取速度是決定代碼執行性能的主要因素。當采用下列模式之一時，代碼執行性能取決于執行速度：片內執行(XIP)：采用NOR閃存需要大帶寬，隨機讀取速度快；存儲和下載(S&D)：采用NAND+DRAM存儲器。S&D是容量大于1Gb的代碼存儲應用廣泛采用的方法。
數據流
– 影響數據流性能的主要因素是寫入速度。數據流通常采用DRAM技術，但是，容量4GB大于的可以采用NAND+DRAM的方法，主要用于提高容量和降低功耗。
數據存儲
– 影響數據存儲性能的主要因素是存儲器容量和數據保存年限。然而，由于存儲器容量正以冪指數的速率增長，不同的系統組件之間的延時可能會對存儲器子系統的性能構成很大的影響。容量在100GB以下或對性能有很高的要求時，數據存儲通常采用NAND閃存。

圖1 – 高密存儲器技術概況

PCM升級能力
硫系 (PCM)薄膜至少在三個方面的應用證明，能夠把PCM存儲單元至少升級到5nm節點。PCM技術升級面臨的主要挑戰是開關元器件的升級。因為硫系薄膜材料的狀態控制方法的研究和改進，PCM耐讀寫能力和寫入速度預計在近期內會有大幅提升。隨著制程向最先進的光刻技術節點進軍，PCM的每位成本和寫入性能可望取得巨大進步，因為存儲單元在這些技術節點可以變得更小。

PCM在嵌入式系統
在嵌入式系統中，PCM通常用于存儲數據。對存儲容量要求較低的系統，容量通常小于大約2Gb，在設計上直接從NOR閃存執行代碼。在嵌入式系統中，這種存儲器通常還用于保存系統文件。這類系統通常使用DRAM充當進程暫存器。
在這類系統中，PCM可用作代碼執行存儲器，因為是一個位可擦除的存儲器，PCM能夠替代系統所需的某些DRAM。?
在“存儲和下載存”儲器系統中，PCM可以降低對DRAM的容量要求，同時還可滿足對NAND的容量需求。同時，在這類系統中使用PCM存儲器可以簡化被保存在同一存儲器中的文件系統，并提高文件系統性能。

圖2 – SnD和XiP系統架構

PCM在無線通信系統
極短的讀取延時，快速覆蓋功能，PCM是一個理想的非易失性存儲器片內代碼執行解決方案，適用于從低容量到高容量的各種存儲應用。PCM盡管讀取延時比DRAM長，但是存儲頁比較小，讀取延時還是屬于DRAM級別，因此可以充當一個非常出色的代碼執行存儲器。除經常被操作的數據結構外，PCM可以用作所有數據結構的常讀存儲器。PCM的位可擦除功能省去了對塊擦除的需求，同時還進一步降低了對DRAM的需求，從而降低了存儲子系統的成本。
PCM有望成為一個總體成本最低的可擴展的存儲器子系統解決方案，同時還能滿足市場日益增長的對高端多媒體無線設備性能的需求。

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圖3 – PCM可提高先進嵌入式系統的性能，這已在高端無線通信系統中得到證實

PCM在固態存儲子系統
因為NAND技術固有的塊可擦除特性，在固態存儲子系統中實現Managing NAND是一大挑戰。當進行大量的擦寫操作或頻繁的讀取操作時，存儲器容易發生錯誤，從而導致對錯誤管理機制的需求，而滿足市場不斷提高的對錯誤管理機制需求也是一個挑戰。
PCM可以在固態存儲系統內保存處理器經常訪問的頁面，以及那些在片內操作數據時更易于管理的元素，包括NAND保存數據所需的奇偶校驗位、壞塊表、塊頁映象表等。在這種情況下，使用PCM可提升NAND的可管理性。通過最小化NAND閃存受到的應力，在存儲子系統中可以實現容量更高的多級單元NAND閃存，利用PCM的功能降低NAND的成本。這種用PCM作緩存的解決方案將會提升存儲子系統的性能和可靠性。

圖4 –混合固態存儲器

此外，當被擦除的頁面分散在多個塊中（接近寫滿狀態）時，PCM可以進一步提高存儲子系統的可靠性。管理接近寫滿狀態的塊可

擦除存儲器，需要完成多個擦除循環，才能為要寫入存儲器的新數據釋放空間，而這會提高存儲器的擦寫次數，加快存儲器的使用壽命，直到最大擦寫次數為止。
PCM的位可擦除特性能夠解決當存儲器寫滿時寫次數增加的問題，PCM的更高的讀寫次數可滿足這些系統在被超負荷使用時的需求。

PCM在計算機平臺
作為一種易失性存儲器，DRAM保存內容需要大量的電能（W/GB）。作為一種非易失性存儲器，當不需要PCM中的內容時，可以關閉PCM模塊的電源，從而降低待機功耗，更重要的是，切斷了容量與功耗之間的聯系。這就產生一個不受PCM存儲器子系統功率限制的容量極限。除非易失性外，PCM還提供了對這種應用極具吸引力的耐讀寫能力和寫入延時，與目前嘗試過的頻繁讀寫方案相比，耐讀寫能力和寫入延時是PCM的一大優點。

結論
PCM是一個具有可持續性發展和毀滅性的存儲器技術。從相互補充的角度考慮，這兩個屬性可以加快PCM的市場滲透度。此外，PCM可用于存儲器系統，以及消費電子、計算機、通信三合一的應用設備。本文還探討了一些有關PCM向不同存儲系統滲透的問題。暫時保留現有存儲器技術，降低系統總體成本和系統復雜性，將會是令人信服的推薦使用PCM解決方案的動機。

在代碼和數據傳輸應用中，帶寬將推動PCM可持續發展，而低功耗則是這項技術的另一個增值特性。