相变存储器浅谈

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摘 要：非易失性存储器在日常生活中起着重要作用，它断电后可以继续保存数据。存储器也朝着更小、更快、低功耗的方向发展。而相变存储器（phase—Change Memory，PCM）由于其高密度、低功耗、工艺兼容等特点，引起了广泛的注意。本文简单地对相变存储器介绍和说明。

关键词：相变存储器；非易失性存储器

中图分类号：TP333 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 14-0000-01

一、引言

非易失性存储器（non—volatile memory，NVM）在信息技术中扮演着重要的角色。传统非易失性存储器主要包括EPROM（可擦写可编程只读存储器）、EEPROM（电可擦可编程只读存储器）、Flash（闪存）等。在当前市场中，Flash存储器渐渐占据了统治地位。但是，flash存储器也存在着一些问题.其在读写过程中的高能热电子可能会引起存储器本身的损坏，影响器件可靠性；同时，Flash存储器在对某一位数据进行擦除时，需要将整个数据块的数据擦除，这大大影响了存储器的速度。随着技术的进步，铁电存储器、磁存储器等也开始崭露头脚，目前最引人瞩目的当属相变存储器了。

二、相和相变

相是理化上的一个概念，它表示某种物质化学性质没有变化，但是其物理状态已经改变，如水在物理上有气相、液相、固相的状态。而相变就是当外部环境变化时从一种相到另外一种相的过程。相变导致很多物理性质的改变，如光的折射率、电阻率等等。如果想利用物质的相变存储信息，就必须保证相的状态是稳定的。目前相变存储器就是利用硫族化合物晶态和非晶态之间转化后导电性的差异来存储数据。

三、相变存储器的原理

相变存储器的数据的写入和读取分为三个过程，分别是“Set”、“Reset”和“Read”。

“Reset”是逻辑复位“0”：瞬间施加一个窄而强的电流，大约10ns。而后快速的冷却，让相变材料从晶体变为非晶体，电阻率提高两个数量级以上。呈高阻态。逻辑为“0”。

“Set”是设置逻辑“1”：施加宽而弱的电流，大约几十ns。让相变材料渐渐结晶。降低电阻率，实现设置逻辑“1”。

“Read”是读取过程：在两端施加足够低的电压以测量。如果得到较小的电流说明呈高阻态，即逻辑“0”，如果电流较大，即是“1”。由于两端的功率很小，因此不会改变存储的数据。是非破坏读取。

四、相变存储器的优缺点

（一）优点

1.高读写速度。相变材料结晶速度一般在50ns以下，写入速度快。与一般NAND和NOR（两种目前流行的非易失性闪存）有所不同的是，PCM写入新数据时不用执行擦除过程。这意味着PCM就可以从存储器直接执行代码，不需要将代码读入RAM执行，而NAND和NOR则无法直接读取并运行代码。

2.寿命长，存储稳定。PCM是以物质的不同相作为存储信息的方式，因此只要不超过晶化温度，一般来说不会丢失数据。由于它存储数据不牵扯电子转移等问题，它能执行的稳定读写次数可达1012～1015，与之对比MLC NAND和SLC NADA相形见绌，甚至超过了SARM和DRAM的次数。而且PCM具有抗高辐射，强震动，抗电子干扰等特性，因此在军事和严酷条件要求下也有很大用武之地。

3.工艺简单，潜力大。与其他一些未来存储器技术对比，PCM的工艺较为容易实验。在目前CMOS工艺之上，只需增加2～4次掩膜即可。作为一种商业产品，任何一家企业都不会放弃如此大的商业利润，同时也推动着PCM技术不断进步。

4.多态存储和多层存储

多态存储即在同一个存储单位中存储多个数据。相变材料最大阻值和最小阻值往往相差几个数量级，这样就给多态存储留下了很大空间。多层存储是可将多个PCM堆叠起来，形成一个三维的存储阵列，从而为大容量，小空间，低功耗开辟了新道路。

（二）缺点

1.单位成本高。相对目前流行的MLC NADA，单位容量成本较高，这也是当年闪存所经历的过程，随着工艺的完善相信能够得到解决。

2.发热和耗能过大。因为完成相变过程就是依靠电压、电流控制发热功率来实现的。随着节点的越来越小，对加热控制元件要求也就越高，与此带来的发热问题就越来越明显。发热和耗能是目前制约其发展的重要原因。

3.电路设计不完善。目前相变材料五花八门和热传导效应，PCM电路设计较其他存储器有很大不同当高速度、大数据量时对电路要求就十分苛刻，在这方面PCM还有很长的路要走。

五、相变存储器今后发展

作为一种新型的非易失性存储器，它集DRAM，NADN，EEPROM各种存储器的优点一体。目前相变存储器在嵌入式系统中发展迅速，三星公司利用PCM已完成试验机的测试。但是否能在存储器市场像NADN一样流行，必须解决成较高和容量普遍偏小的局面。我国目前在这方便也取得一定的成绩，但是较国外英特尔、三星、日立等大公司差距依旧很大。相变存储器在飞速发展的同时，FERAM（铁电存储器）、MRAM（磁性存储器）、RERAM（电阻记忆体）等新兴非易失性存储器也在飞速发展，在未来的存储器市场竞争中到底谁能取得胜利，尚不可知。

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