相变存储器：能实现全新存储器使用模型的新型存储器

相变存储器：能实现全新存储器使用模型的新型存储器

从下面的几个重要特性看，相变存储器（PCM）技术均符合当前电子系统对存储器子系统的需求：

容量
– 因为消费电子、计算机、通信三合一的应用趋势，所有电子系统的代码量都以幂指数的速率增长，数据增长速率甚至更快。
带宽和能耗
– 在应用高度融合的电子系统中，为了加快上网速度，采用带宽衡量系统性能；为了增强产品的移动使用性，采用功耗评价系统性能。存储器设计必须支持市场对扩大带宽和降低功耗的日益增长的需求。非易失性固态存储器是降低功耗的最佳方法。
存储器系统
– 为提高电子系统的总体性能，设计人员越来越关注存储器系统的容量、技术性能、封装和接口等参数。
缓存
 – “存储器系统”概念不支持根据技术给存储器分类，而支持根据最终设备的带宽需求给存储器分类，从而在克服存储器技术上存在的设计难题，通过暂时保留并优化组合不同的存储器技术，以降低产品的成本，提升系统性能。

带宽分类
从较高层次上说，我们可以考虑三大带宽类别：代码、数据流和数据存储。

代码
– 读取速度是决定代码执行性能的主要因素。当采用下列模式之一时，代码执行性能取决于执行速度：片内执行(XIP)：采用NOR闪存需要大带宽，随机读取速度快；存储和下载(S&D)：采用NAND+DRAM存储器。S&D是容量大于1Gb的代码存储应用广泛采用的方法。
数据流
– 影响数据流性能的主要因素是写入速度。数据流通常采用DRAM技术，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。
数据存储
– 影响数据存储性能的主要因素是存储器容量和数据保存年限。然而，由于存储器容量正以幂指数的速率增长，不同的系统组件之间的延时可能会对存储器子系统的性能构成很大的影响。容量在100GB以下或对性能有很高的要求时，数据存储通常采用NAND闪存。

图1 – 高密存储器技术概况

PCM升级能力
硫系 (PCM)薄膜至少在三个方面的应用证明，能够把PCM存储单元至少升级到5nm节点。PCM技术升级面临的主要挑战是开关元器件的升级。因为硫系薄膜材料的状态控制方法的研究和改进，PCM耐读写能力和写入速度预计在近期内会有大幅提升。随着制程向最先进的光刻技术节点进军，PCM的每位成本和写入性能可望取得巨大进步，因为存储单元在这些技术节点可以变得更小。

PCM在嵌入式系统
在嵌入式系统中，PCM通常用于存储数据。对存储容量要求较低的系统，容量通常小于大约2Gb，在设计上直接从NOR闪存执行代码。在嵌入式系统中，这种存储器通常还用于保存系统文件。这类系统通常使用DRAM充当进程暂存器。
在这类系统中，PCM可用作代码执行存储器，因为是一个位可擦除的存储器，PCM能够替代系统所需的某些DRAM。 
在“存储和下载存”储器系统中，PCM可以降低对DRAM的容量要求，同时还可满足对NAND的容量需求。同时，在这类系统中使用PCM存储器可以简化被保存在同一存储器中的文件系统，并提高文件系统性能。

图2 – SnD和XiP系统架构

PCM在无线通信系统
极短的读取延时，快速覆盖功能，PCM是一个理想的非易失性存储器片内代码执行解决方案，适用于从低容量到高容量的各种存储应用。PCM尽管读取延时比DRAM长，但是存储页比较小，读取延时还是属于DRAM级别，因此可以充当一个非常出色的代码执行存储器。除经常被操作的数据结构外，PCM可以用作所有数据结构的常读存储器。PCM的位可擦除功能省去了对块擦除的需求，同时还进一步降低了对DRAM的需求，从而降低了存储子系统的成本。
PCM有望成为一个总体成本最低的可扩展的存储器子系统解决方案，同时还能满足市场日益增长的对高端多媒体无线设备性能的需求。

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图3 – PCM可提高先进嵌入式系统的性能，这已在高端无线通信系统中得到证实

PCM在固态存储子系统
因为NAND技术固有的块可擦除特性，在固态存储子系统中实现Managing NAND是一大挑战。当进行大量的擦写操作或频繁的读取操作时，存储器容易发生错误，从而导致对错误管理机制的需求，而满足市场不断提高的对错误管理机制需求也是一个挑战。
PCM可以在固态存储系统内保存处理器经常访问的页面，以及那些在片内操作数据时更易于管理的元素，包括NAND保存数据所需的奇偶校验位、坏块表、块页映象表等。在这种情况下，使用PCM可提升NAND的可管理性。通过最小化NAND闪存受到的应力，在存储子系统中可以实现容量更高的多级单元NAND闪存，利用PCM的功能降低NAND的成本。这种用PCM作缓存的解决方案将会提升存储子系统的性能和可靠性。

图4 –混合固态存储器

此外，当被擦除的页面分散在多个块中（接近写满状态）时，PCM可以进一步提高存储子系统的可靠性。管理接近写满状态的块可

擦除存储器，需要完成多个擦除循环，才能为要写入存储器的新数据释放空间，而这会提高存储器的擦写次数，加快存储器的使用寿命，直到最大擦写次数为止。
PCM的位可擦除特性能够解决当存储器写满时写次数增加的问题，PCM的更高的读写次数可满足这些系统在被超负荷使用时的需求。

PCM在计算机平台
作为一种易失性存储器，DRAM保存内容需要大量的电能（W/GB）。作为一种非易失性存储器，当不需要PCM中的内容时，可以关闭PCM模块的电源，从而降低待机功耗，更重要的是，切断了容量与功耗之间的联系。这就产生一个不受PCM存储器子系统功率限制的容量极限。除非易失性外，PCM还提供了对这种应用极具吸引力的耐读写能力和写入延时，与目前尝试过的频繁读写方案相比，耐读写能力和写入延时是PCM的一大优点。

结论
PCM是一个具有可持续性发展和毁灭性的存储器技术。从相互补充的角度考虑，这两个属性可以加快PCM的市场渗透度。此外，PCM可用于存储器系统，以及消费电子、计算机、通信三合一的应用设备。本文还探讨了一些有关PCM向不同存储系统渗透的问题。暂时保留现有存储器技术，降低系统总体成本和系统复杂性，将会是令人信服的推荐使用PCM解决方案的动机。

在代码和数据传输应用中，带宽将推动PCM可持续发展，而低功耗则是这项技术的另一个增值特性。