相變存儲器的工作原理和技術特點

近年來，非易失性存儲技術在許多方面都取得了一些重大進展，為計算機系統(tǒng)的存儲能效提升帶來了新的契機，采用新型非易失性存儲技術來替代傳統(tǒng)的存儲技術可以適應計算機技術發(fā)展對高存儲能效的需求。以相變存儲器為代表的多種新型存儲器技術因具備高集成度、低功耗等特點而受到國內(nèi)外研究者的廣泛關注，本文介紹相變存儲器的工作原理、技術特點及其國內(nèi)外最新研究進展。

一、相變存儲器的工作原理

相變存儲器（Phase Change Random Access Memory， 簡稱PCRAM）的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，相變存儲器的基本存儲原理是在器件單元上施加不同寬度和高度的電壓或電流脈沖信號，使相變材料發(fā)生物理相態(tài)的變化，即晶態(tài)（低阻態(tài)）和非晶態(tài) （高阻態(tài)）之間發(fā)生可逆相變互相轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)信息的寫入 （“1”）和擦除（“0”）操作。相互轉(zhuǎn)換過程包含了晶態(tài)到非晶態(tài)的非晶化轉(zhuǎn)變以及非晶態(tài)到晶態(tài)的晶化轉(zhuǎn)變兩個過程，其中前者被稱為非晶化過程，后者被稱為晶化過程。然后依靠測量對比兩個物理相態(tài)間的電阻差異來實現(xiàn)信息的讀出，這種非破壞性的讀取過程，能夠確保準確地讀出器件單元中已存儲的信息。

相變材料在晶態(tài)和非晶態(tài)的時候電阻率差距相差幾個數(shù)量級，使得其具有較高的噪聲容限，足以區(qū)分“ 0”態(tài)和“ 1”態(tài)。目前各機構(gòu)用的比較多的相變材料是硫?qū)倩铮?a href="http://www.ttokpm.com/tags/英特爾/" target="_blank">英特爾為代表）和含鍺、銻、碲的合成材料（GST），如Ge2Sb2Te5（意法半導體為代表）。

圖1： PCRAM結(jié)構(gòu)示意圖

二、相變存儲器的技術特點

相變存儲器具有很多優(yōu)點，比如可嵌入功能強、優(yōu)異的可反復擦寫特性、穩(wěn)定性好以及和CMOS工藝兼容等。到目前為止，還未發(fā)現(xiàn)PCRAM 有明確的物理極限，研究表明相變材料的厚度降至2nm時，器件仍然能夠發(fā)生相變。因而，PCRAM 被認為是最有可能解決存儲技術問題、取代目前主流的存儲產(chǎn)品，成為未來通用的新一代非揮發(fā)性半導體存儲器件之一。

相變存儲器提高存儲容量的方式有兩種：一種是三維堆疊，還有一種是多值技術。英特爾和美光重點突破的是三維堆疊技術，而IBM在多值存儲領域取得了突破性進展。

圖2：PCRAM突破存儲容量的兩大技術方向：三維堆疊和多值存儲

三維堆疊技術通過芯片或器件在垂直方向的堆疊，可以顯著增加芯片集成度，是延續(xù)摩爾定律的一種重要技術。交叉堆疊（cross point）的三維存儲結(jié)構(gòu)被廣泛應用于非易失存儲器，英特爾和美光共同研發(fā)的3D Xpoint技術，便是一種三維交叉堆疊型相變存儲器。當前，三維新型非易失存儲器的研究主要集中在器件和陣列層面。與傳統(tǒng)的二維存儲器不同，三維相變存儲器采用了新型的雙向閾值開關（Ovonic Threshold Switch，OTS）器件作為選通器件（selector）。根據(jù)OTS器件的物理特性和三維交叉堆疊陣列結(jié)構(gòu)的特點，三維交叉堆疊型相變存儲器采用一種V/2偏置方法以實現(xiàn)存儲單元的操作。

IBM是相變存儲器多值存儲技術的推進者，其每個存儲單元都能長時間可靠地存儲多個字節(jié)的數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)多位存儲，IBM的科學家開發(fā)出了兩項創(chuàng)新性的使能技術：一套不受偏移影響單元狀態(tài)測量方法以及偏移容錯編碼和檢測方案。更具體地說，這種新的單元狀態(tài)測量方法可測量PCRAM單元的物理特性，檢測其在較長時間內(nèi)是否能保持穩(wěn)定狀態(tài)，這樣的話其對偏移就會不敏感，而偏移可影響此單元的長期電導率穩(wěn)定性。為了實現(xiàn)一個單元上所儲存的數(shù)據(jù)在環(huán)境溫度波動的情況下仍能獲得額外的穩(wěn)健性（additional robustness），IBM的科學家采用了一種新的編碼和檢測方案。這個方案可以通過自適應方式修改用來檢測此單元所存儲數(shù)據(jù)的電平閾值，使其能隨著溫度變化引起的各種波動而變化。因此，這種存儲器寫入程序后，在相當長的時間內(nèi)都能可靠地讀取單元狀態(tài)，從而可提供較高的非易失性。

三、國內(nèi)外相變存儲器的最新研究進展

目前國內(nèi)外有不少企業(yè)和科研機構(gòu)都在研究相變存儲器，但由于PCRAM技術還有很多難點有待攻克，故大多機構(gòu)的研發(fā)進展并不順利，國外PCRAM知識產(chǎn)權主要被索尼、三星、IBM、美光四家公司所壟斷，能實現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)的只有三星、美光等海外大公司，以及國內(nèi)中科院上海微系統(tǒng)所與信息技術研究所。近期IBM方宣稱其在PCRAM領域取得了重大突破，其使用能夠以多種不同的電阻級別來實現(xiàn)每單元3 bit（即8個電阻級別）的容納能力，其速度比NAND快70倍，讀取延遲僅為1微秒，是DRAM的十倍，寫入周期長達100萬次。

圖3：國外PCRAM的主要研發(fā)機構(gòu)

國內(nèi)目前對PCRAM技術的研究機構(gòu)主要有中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所、華中科技大學等。中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所發(fā)現(xiàn)了比國際量產(chǎn)的Ge-Sb-Te性能更好的Ti-Sb-Te自主新型相變存儲材料;自主研發(fā)了具有國際先進水平的雙溝道隔離的4F2高密度二極管技術;開發(fā)出了我國第一款8Mb PCRAM試驗芯片;所開發(fā)的基于0.13umCMOS工藝的打印機用嵌入式PCRAM產(chǎn)品已獲得首個750萬顆的訂單;所開發(fā)的基于40nm高密度二極管技術、具有最小單元尺寸的自讀存儲器已經(jīng)開始送樣;所研制的40nm節(jié)點PCRAM試驗芯片的單元成品率最高達99.999%以上，甚至有不加修正4Mb、64Mb PCRAM芯片，現(xiàn)已提供客戶在先進信息系統(tǒng)上試用。華中科技大學研制成功容量為1Mb的PCRAM芯片，相變速度達到同期全球最快（0.2ns）。