相變存儲(chǔ)器：能實(shí)現(xiàn)全新存儲(chǔ)器使用模型的新型存儲(chǔ)器

相變存儲(chǔ)器：能實(shí)現(xiàn)全新存儲(chǔ)器使用模型的新型存儲(chǔ)器

從下面的幾個(gè)重要特性看，相變存儲(chǔ)器（PCM）技術(shù)均符合當(dāng)前電子系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)器子系統(tǒng)的需求：

容量
– 因?yàn)?a href="http://www.ttokpm.com/soft/data/39-96/" target="_blank">消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)、通信三合一的應(yīng)用趨勢(shì)，所有電子系統(tǒng)的代碼量都以冪指數(shù)的速率增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)增長(zhǎng)速率甚至更快。
帶寬和能耗
– 在應(yīng)用高度融合的電子系統(tǒng)中，為了加快上網(wǎng)速度，采用帶寬衡量系統(tǒng)性能；為了增強(qiáng)產(chǎn)品的移動(dòng)使用性，采用功耗評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能。存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)必須支持市場(chǎng)對(duì)擴(kuò)大帶寬和降低功耗的日益增長(zhǎng)的需求。非易失性固態(tài)存儲(chǔ)器是降低功耗的最佳方法。
存儲(chǔ)器系統(tǒng)
– 為提高電子系統(tǒng)的總體性能，設(shè)計(jì)人員越來(lái)越關(guān)注存儲(chǔ)器系統(tǒng)的容量、技術(shù)性能、封裝和接口等參數(shù)。
緩存
?– “存儲(chǔ)器系統(tǒng)”概念不支持根據(jù)技術(shù)給存儲(chǔ)器分類，而支持根據(jù)最終設(shè)備的帶寬需求給存儲(chǔ)器分類，從而在克服存儲(chǔ)器技術(shù)上存在的設(shè)計(jì)難題，通過(guò)暫時(shí)保留并優(yōu)化組合不同的存儲(chǔ)器技術(shù)，以降低產(chǎn)品的成本，提升系統(tǒng)性能。

帶寬分類
從較高層次上說(shuō)，我們可以考慮三大帶寬類別：代碼、數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

代碼
– 讀取速度是決定代碼執(zhí)行性能的主要因素。當(dāng)采用下列模式之一時(shí)，代碼執(zhí)行性能取決于執(zhí)行速度：片內(nèi)執(zhí)行(XIP)：采用NOR閃存需要大帶寬，隨機(jī)讀取速度快；存儲(chǔ)和下載(S&D)：采用NAND+DRAM存儲(chǔ)器。S&D是容量大于1Gb的代碼存儲(chǔ)應(yīng)用廣泛采用的方法。
數(shù)據(jù)流
– 影響數(shù)據(jù)流性能的主要因素是寫入速度。數(shù)據(jù)流通常采用DRAM技術(shù)，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(shù)據(jù)存儲(chǔ)
– 影響數(shù)據(jù)存儲(chǔ)性能的主要因素是存儲(chǔ)器容量和數(shù)據(jù)保存年限。然而，由于存儲(chǔ)器容量正以冪指數(shù)的速率增長(zhǎng)，不同的系統(tǒng)組件之間的延時(shí)可能會(huì)對(duì)存儲(chǔ)器子系統(tǒng)的性能構(gòu)成很大的影響。容量在100GB以下或?qū)π阅苡泻芨叩囊髸r(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)通常采用NAND閃存。

圖1 – 高密存儲(chǔ)器技術(shù)概況

PCM升級(jí)能力
硫系 (PCM)薄膜至少在三個(gè)方面的應(yīng)用證明，能夠把PCM存儲(chǔ)單元至少升級(jí)到5nm節(jié)點(diǎn)。PCM技術(shù)升級(jí)面臨的主要挑戰(zhàn)是開關(guān)元器件的升級(jí)。因?yàn)榱蛳当∧げ牧系臓顟B(tài)控制方法的研究和改進(jìn)，PCM耐讀寫能力和寫入速度預(yù)計(jì)在近期內(nèi)會(huì)有大幅提升。隨著制程向最先進(jìn)的光刻技術(shù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)軍，PCM的每位成本和寫入性能可望取得巨大進(jìn)步，因?yàn)榇鎯?chǔ)單元在這些技術(shù)節(jié)點(diǎn)可以變得更小。

PCM在嵌入式系統(tǒng)
在嵌入式系統(tǒng)中，PCM通常用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。對(duì)存儲(chǔ)容量要求較低的系統(tǒng)，容量通常小于大約2Gb，在設(shè)計(jì)上直接從NOR閃存執(zhí)行代碼。在嵌入式系統(tǒng)中，這種存儲(chǔ)器通常還用于保存系統(tǒng)文件。這類系統(tǒng)通常使用DRAM充當(dāng)進(jìn)程暫存器。
在這類系統(tǒng)中，PCM可用作代碼執(zhí)行存儲(chǔ)器，因?yàn)槭且粋€(gè)位可擦除的存儲(chǔ)器，PCM能夠替代系統(tǒng)所需的某些DRAM。?
在“存儲(chǔ)和下載存”儲(chǔ)器系統(tǒng)中，PCM可以降低對(duì)DRAM的容量要求，同時(shí)還可滿足對(duì)NAND的容量需求。同時(shí)，在這類系統(tǒng)中使用PCM存儲(chǔ)器可以簡(jiǎn)化被保存在同一存儲(chǔ)器中的文件系統(tǒng)，并提高文件系統(tǒng)性能。

圖2 – SnD和XiP系統(tǒng)架構(gòu)

PCM在無(wú)線通信系統(tǒng)
極短的讀取延時(shí)，快速覆蓋功能，PCM是一個(gè)理想的非易失性存儲(chǔ)器片內(nèi)代碼執(zhí)行解決方案，適用于從低容量到高容量的各種存儲(chǔ)應(yīng)用。PCM盡管讀取延時(shí)比DRAM長(zhǎng)，但是存儲(chǔ)頁(yè)比較小，讀取延時(shí)還是屬于DRAM級(jí)別，因此可以充當(dāng)一個(gè)非常出色的代碼執(zhí)行存儲(chǔ)器。除經(jīng)常被操作的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)外，PCM可以用作所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的常讀存儲(chǔ)器。PCM的位可擦除功能省去了對(duì)塊擦除的需求，同時(shí)還進(jìn)一步降低了對(duì)DRAM的需求，從而降低了存儲(chǔ)子系統(tǒng)的成本。
PCM有望成為一個(gè)總體成本最低的可擴(kuò)展的存儲(chǔ)器子系統(tǒng)解決方案，同時(shí)還能滿足市場(chǎng)日益增長(zhǎng)的對(duì)高端多媒體無(wú)線設(shè)備性能的需求。

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圖3 – PCM可提高先進(jìn)嵌入式系統(tǒng)的性能，這已在高端無(wú)線通信系統(tǒng)中得到證實(shí)

PCM在固態(tài)存儲(chǔ)子系統(tǒng)
因?yàn)镹AND技術(shù)固有的塊可擦除特性，在固態(tài)存儲(chǔ)子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)Managing NAND是一大挑戰(zhàn)。當(dāng)進(jìn)行大量的擦寫操作或頻繁的讀取操作時(shí)，存儲(chǔ)器容易發(fā)生錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致對(duì)錯(cuò)誤管理機(jī)制的需求，而滿足市場(chǎng)不斷提高的對(duì)錯(cuò)誤管理機(jī)制需求也是一個(gè)挑戰(zhàn)。
PCM可以在固態(tài)存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)保存處理器經(jīng)常訪問(wèn)的頁(yè)面，以及那些在片內(nèi)操作數(shù)據(jù)時(shí)更易于管理的元素，包括NAND保存數(shù)據(jù)所需的奇偶校驗(yàn)位、壞塊表、塊頁(yè)映象表等。在這種情況下，使用PCM可提升NAND的可管理性。通過(guò)最小化NAND閃存受到的應(yīng)力，在存儲(chǔ)子系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)容量更高的多級(jí)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(huì)提升存儲(chǔ)子系統(tǒng)的性能和可靠性。

圖4 –混合固態(tài)存儲(chǔ)器

此外，當(dāng)被擦除的頁(yè)面分散在多個(gè)塊中（接近寫滿狀態(tài)）時(shí)，PCM可以進(jìn)一步提高存儲(chǔ)子系統(tǒng)的可靠性。管理接近寫滿狀態(tài)的塊可

擦除存儲(chǔ)器，需要完成多個(gè)擦除循環(huán)，才能為要寫入存儲(chǔ)器的新數(shù)據(jù)釋放空間，而這會(huì)提高存儲(chǔ)器的擦寫次數(shù)，加快存儲(chǔ)器的使用壽命，直到最大擦寫次數(shù)為止。
PCM的位可擦除特性能夠解決當(dāng)存儲(chǔ)器寫滿時(shí)寫次數(shù)增加的問(wèn)題，PCM的更高的讀寫次數(shù)可滿足這些系統(tǒng)在被超負(fù)荷使用時(shí)的需求。

PCM在計(jì)算機(jī)平臺(tái)
作為一種易失性存儲(chǔ)器，DRAM保存內(nèi)容需要大量的電能（W/GB）。作為一種非易失性存儲(chǔ)器，當(dāng)不需要PCM中的內(nèi)容時(shí)，可以關(guān)閉PCM模塊的電源，從而降低待機(jī)功耗，更重要的是，切斷了容量與功耗之間的聯(lián)系。這就產(chǎn)生一個(gè)不受PCM存儲(chǔ)器子系統(tǒng)功率限制的容量極限。除非易失性外，PCM還提供了對(duì)這種應(yīng)用極具吸引力的耐讀寫能力和寫入延時(shí)，與目前嘗試過(guò)的頻繁讀寫方案相比，耐讀寫能力和寫入延時(shí)是PCM的一大優(yōu)點(diǎn)。

結(jié)論
PCM是一個(gè)具有可持續(xù)性發(fā)展和毀滅性的存儲(chǔ)器技術(shù)。從相互補(bǔ)充的角度考慮，這兩個(gè)屬性可以加快PCM的市場(chǎng)滲透度。此外，PCM可用于存儲(chǔ)器系統(tǒng)，以及消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)、通信三合一的應(yīng)用設(shè)備。本文還探討了一些有關(guān)PCM向不同存儲(chǔ)系統(tǒng)滲透的問(wèn)題。暫時(shí)保留現(xiàn)有存儲(chǔ)器技術(shù)，降低系統(tǒng)總體成本和系統(tǒng)復(fù)雜性，將會(huì)是令人信服的推薦使用PCM解決方案的動(dòng)機(jī)。

在代碼和數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中，帶寬將推動(dòng)PCM可持續(xù)發(fā)展，而低功耗則是這項(xiàng)技術(shù)的另一個(gè)增值特性。