相變存儲(chǔ)器

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

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

在非晶態(tài)下，GST材料具有短距離的原子能級(jí)和較低的自由電子密度，使得其具有較高的電阻率。由于這種狀態(tài)通常出現(xiàn)在RESET操作之后，一般稱其為RESET狀態(tài)，在RESET操作中DUT的溫度上升到略高于熔點(diǎn)溫度，然后突然對(duì)GST淬火將其冷卻。冷卻的速度對(duì)于非晶層的形成至關(guān)重要。非晶層的電阻通常可超過1兆歐。

在晶態(tài)下，GST材料具有長(zhǎng)距離的原子能級(jí)和較高的自由電子密度，從而具有較低的電阻率。由于這種狀態(tài)通常出現(xiàn)在SET操作之后，我們一般稱其為SET狀態(tài)，在SET操作中，材料的溫度上升高于再結(jié)晶溫度但是低于熔點(diǎn)溫度，然后緩慢冷卻使得晶粒形成整層。晶態(tài)的電阻范圍通常從1千歐到10千歐。晶態(tài)是一種低能態(tài)；因此，當(dāng)對(duì)非晶態(tài)下的材料加熱，溫度接近結(jié)晶溫度時(shí)，它就會(huì)自然地轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)。

典型的GST PCM器件結(jié)構(gòu)頂部電極、晶態(tài)GST、α/晶態(tài)GST、熱絕緣體、電阻（加熱器）、底部電極組成。一個(gè)電阻連接在GST層的下方。加熱/熔化過程只影響該電阻頂端周圍的一小片區(qū)域。擦除/RESET脈沖施加高電阻即邏輯0，在器件上形成一片非晶層區(qū)域。擦除/RESET脈沖比寫/SET脈沖要高、窄和陡峭。SET脈沖用于置邏輯1，使非晶層再結(jié)晶回到結(jié)晶態(tài)。

近年來，非易失性存儲(chǔ)技術(shù)在許多方面都取得了一些重大的進(jìn)展，為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的存儲(chǔ)能效提升帶來了新的契機(jī)，研究者們建議采用新型NVM技術(shù)來替代傳統(tǒng)的存儲(chǔ)技術(shù)，以適應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展對(duì)高存儲(chǔ)能效的需求。以相變存儲(chǔ)器為代表的多種新型NVM技術(shù)因具備高集成度、低功耗等特點(diǎn)而受到國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。特別地，PCRAM因其具備非易失性、可字節(jié)尋址等特性而同時(shí)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(duì)未來的存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)帶來重大的變革。因此，它被認(rèn)為是極具發(fā)展前景、最有可能完全替代DRAM的新型NVM技術(shù)之一。

二十世紀(jì)五十年代至六十年代，Dr. Stanford Ovshinsky開始研究無定形物質(zhì)的性質(zhì)。無定形物質(zhì)是一類沒有表現(xiàn)出確定、有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。1968年，他發(fā)現(xiàn)某些玻璃在變相時(shí)存在可逆的電阻系數(shù)變化。1969年，他又發(fā)現(xiàn)激光在光學(xué)存儲(chǔ)介質(zhì)中的反射率會(huì)發(fā)生響應(yīng)的變化。1970年，他與他的妻子Dr. Iris Ovshinsky共同建立的能量轉(zhuǎn)換裝置（ECD）公司，發(fā)布了他們與Intel的Gordon Moore合作的結(jié)果。1970年9月28日在Electronics發(fā)布的這一篇文章描述了世界上第一個(gè)256位半導(dǎo)體相變存儲(chǔ)器。

2011年8月31日，中國(guó)首次完成第一批基于相變存儲(chǔ)器的產(chǎn)品芯片。

2015年，《自然·光子學(xué)》雜志布了世界上第一個(gè)或可長(zhǎng)期存儲(chǔ)數(shù)據(jù)且完全基于光的相變存儲(chǔ)器。

相變存儲(chǔ)器材料具有存取速度快和可靠性高等優(yōu)點(diǎn),有比其他存儲(chǔ)器更廣闊的應(yīng)用空間和更好的發(fā)展趨勢(shì)，有望替代目前被公眾熟知的傳統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)，如應(yīng)用于U盤的可斷電存儲(chǔ)的閃存技術(shù)，又如應(yīng)用于電腦內(nèi)存的不斷電存儲(chǔ)的DRAM技術(shù)等等。雖然人們漸漸的認(rèn)識(shí)到了新存儲(chǔ)技術(shù)的優(yōu)越性，但如何將其應(yīng)用在實(shí)際中卻各有差異。

從目前的研究可以看出相變存儲(chǔ)器主要可以用來替代計(jì)算機(jī)主存、硬盤和閃存：

①相變存儲(chǔ)器訪問相應(yīng)時(shí)間短，并且具有字節(jié)可尋址特性，其寫延遲約為DRAM的10倍，使他在設(shè)計(jì)參考中固件代碼的直接執(zhí)行上顯現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，并廣泛研究用來作為DRAM的替代品，傳統(tǒng)使用的DRAM的方法是在計(jì)算機(jī)斷電后主存的數(shù)據(jù)全部丟失，計(jì)算機(jī)重啟需要重新從外存讀取操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)，消耗較多時(shí)間，之前部分研究者采用將NOR閃存作為主存，可以解決計(jì)算機(jī)掉電數(shù)據(jù)丟失問題，但是閃存有擦寫次數(shù)有限，隨機(jī)寫性能較差，寫延遲較大等的缺點(diǎn)，而采用相變存儲(chǔ)器或者基于相變存儲(chǔ)器的異構(gòu)主存方法可以更好地解決上述問題；

②相變存儲(chǔ)器的隨機(jī)讀寫性能能夠有效地解決大規(guī)?？茖W(xué)計(jì)算中小粒度隨機(jī)I/O對(duì)磁盤訪問所造成的I/O瓶頸，用相變存儲(chǔ)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬盤具有很大的優(yōu)勢(shì)；

③閃存和相變存儲(chǔ)器都是新型非易失性存儲(chǔ)器，沒有機(jī)械裝置并且可隨機(jī)讀寫，但是和相變存儲(chǔ)器相比，閃存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(dǎo)致閃存只能通過一系列更加復(fù)雜的技術(shù)化才能替代存儲(chǔ)系統(tǒng)的部分功能。

相變存儲(chǔ)器還有其他很多方面的應(yīng)用，適用于固線和無線通信設(shè)備、消費(fèi)電子、PC和其他嵌入式應(yīng)用設(shè)備：比如應(yīng)用在航天器領(lǐng)域中的嵌入系統(tǒng)中、用在智能電表中可以對(duì)其儲(chǔ)存構(gòu)架進(jìn)行進(jìn)一步整合等。另外，根據(jù)相變存儲(chǔ)器存在的一些不足，在提高存儲(chǔ)密度、降低成本和提高耐寫能力方面需要進(jìn)一步的研究，才能更好的推動(dòng)相變存儲(chǔ)器的應(yīng)用與發(fā)展。

相變化內(nèi)存（英語：Phase-change memory，英語：Ovonic Unified Memory，英語：Chalcogenide RAM，簡(jiǎn)稱PCM,PRAM,PCRAM,CRAM），又譯為相變位內(nèi)存，是一種非易失性存儲(chǔ)器裝置。PRAM 使用含一種或多種硫族化物的玻璃（Chalcogenide glass）制成。硫?qū)俨ＡУ奶匦允牵?jīng)加熱可以改變它的狀態(tài)，成為晶體（Crystalline）或非晶體（Amorphous）。這些不同狀態(tài)具有相應(yīng)的電阻值。因此 PRAM 可以用來存儲(chǔ)不同的數(shù)值。 它是可能取代快閃存儲(chǔ)器的技術(shù)之一。 2100433B

相變的類型很多，根據(jù)相變的某種屬性的特征可作粗線條的分類：根據(jù)熱力學(xué)函數(shù)可分為一級(jí)相變、二級(jí)相變；根據(jù)對(duì)抗?jié)q落的穩(wěn)定性分為連續(xù)相變、非連續(xù)相變；根據(jù)新相生長(zhǎng)時(shí)的控制環(huán)節(jié)，可分為擴(kuò)散控制的相變和界面控制的相變；根據(jù)新相生成時(shí)原子遷移的特點(diǎn)，分為有擴(kuò)散相變（散漫移動(dòng)式相變）、無擴(kuò)散相變（行列移動(dòng)式相變）等。還有，由傳質(zhì)控制的相變，或由傳熱控制的相變（凝固）等。當(dāng)然，有些相變不是這樣截然劃分所能概括的。礦物學(xué)家和陶瓷材料科學(xué)家在傳統(tǒng)上將相變分為重構(gòu)型相變和位移型相變，前者指相變時(shí)將原有的化學(xué)鍵拆開重新結(jié)合成新鍵而構(gòu)成新晶體，后者則指相變時(shí)僅涉及結(jié)合鍵的長(zhǎng)度和夾角大小的改變 。2100433B