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DOSTOR存儲在線 7月6日國際報道： 瑞士蘇黎世：IBM Research的科學(xué)家首次展示了新的記憶體技術(shù)，也就是相變記憶體（PCM）。科學(xué)家在每個記憶體單元上可以在更長的時間內(nèi)存儲多個比特的數(shù)據(jù)。這個重大的技術(shù)進步有助于發(fā)展低成本、更快速和更耐用的記憶體，可以應(yīng)用于各種消費者設(shè)備（包括手機和云存儲），以及各種高性能應(yīng)用，比如企業(yè)數(shù)據(jù)存儲。

PCM集速度、耐用性、非易失性和密度等優(yōu)勢于一身，有可能在未來五年內(nèi)在企業(yè)IT和存儲系統(tǒng)領(lǐng)域掀起一場革命�？茖W(xué)家們一直在尋找一種比閃存更快速的非易失記憶體技術(shù)--閃存是如今最普遍的非易失記憶體技術(shù)。這樣的記憶體技術(shù)應(yīng)該可以讓計算機和服務(wù)器大大提高整體的IT系統(tǒng)性能。PCM相較閃存的一大優(yōu)勢就是它的讀取和寫入數(shù)據(jù)的速度100倍于閃存，可以進行大容量存儲，在電源關(guān)閉后也不會丟失數(shù)據(jù)。和閃存不同，PCM是非常耐用的記憶體，可以承受1千萬次寫入周期，而目前的企業(yè)級閃存只能承受3萬次，消費者級別的閃存只有3000次。雖然3000次周期可以勝任許多消費者設(shè)備，但是這樣的周期對企業(yè)級應(yīng)用來說太低了。

IBM Research（蘇黎世）的Memory and Probe Technologies部門經(jīng)理Haris Pozidis博士表示：“隨著單位用戶和消費者越來越傾向云計算模式和服務(wù)--大部分數(shù)據(jù)被存儲在云內(nèi)并在云內(nèi)處理--我們需要更加強大、高效同時從價格上可承受的存儲技術(shù)。通過展示這樣一個多比特相變記憶體技術(shù)，我們在相變記憶體設(shè)備的實用化方面邁出了一大步。我們的PCM首次接近了企業(yè)級應(yīng)用所要求的可靠性水平。”

多層相變記憶體突破

為了取得技術(shù)上的突破，IBM在蘇黎世的科學(xué)家用一種高級調(diào)制編碼技術(shù)來緩解多比特PCM的短期漂移問題。漂移會導(dǎo)致電阻水平隨著時間流逝發(fā)生變化，有可能導(dǎo)致讀取錯誤。此前，科學(xué)家還只有在1比特PCM上有取得可靠的數(shù)據(jù)保留效果，還沒有在多比特PCM上報道過可靠的數(shù)據(jù)保留效果。

PCM利用材料--各種元素的合金--中的電阻值的變化--從低電阻值的結(jié)晶態(tài)到高電阻值的非結(jié)晶態(tài)--來存儲數(shù)據(jù)比特。在一個PCM單元中，相變材料被放在上下兩個電極中間�？茖W(xué)家可以通過電壓或不同強度的電流脈沖來有控制地改變相狀態(tài)。這些電壓或脈沖會加熱材料，不同的溫度水平會使得材料從結(jié)晶態(tài)變?yōu)榉墙Y(jié)晶態(tài)或反過來。

此外，根據(jù)電壓水平，電極中間的或多或少的材料會經(jīng)歷一次相變，從而直接影響到記憶體單元的電阻水平。科學(xué)家們成功地在每個單元上存儲多個比特的數(shù)值。在目前的工作中，IBM科學(xué)家利用四個電阻水平來存儲比特組合：“00”、“01”、“10”和“11”。

為了達到展示的可靠性水平，必須在“讀取”和“寫入”流程上有重大的技術(shù)進步。科學(xué)家們利用迭代“寫入”方法來克服由于記憶體單元和相變材料本身可變性所帶來的電阻偏移。Pozidis解釋道：“我們根據(jù)實際電阻值與期望電阻值的偏離程度來應(yīng)用電壓脈沖，然后再衡量新的電阻水平。如果沒有達到期望電阻值，我們就用另一個電壓脈沖，然后再衡量一次--直到達到預(yù)期水平。”

盡管使用迭代進程，最差情況下的寫入延遲也只有10微秒，性能比目前市場上最先進的閃存也要快100倍。

為了可靠地讀取數(shù)據(jù)，科學(xué)家們必須解決電阻漂移問題。由于非結(jié)晶態(tài)下原子之間的結(jié)構(gòu)性松散，電阻值在相變后會隨著時間流逝而增加，最終導(dǎo)致讀取錯誤。為了克服這個問題，IBM科學(xué)家利用一種高級調(diào)制編碼技術(shù)來克服內(nèi)在的漂移問題。這個調(diào)制編碼技術(shù)的原理是，平均而言，不同電阻水平的記憶體單元之間的相對順序不會因為漂移而發(fā)生改變。

通過這種技術(shù)，IBM科學(xué)家們可以緩解漂移問題。他們的PCM測試芯片上組合了20萬個記憶體單元，采用90納米CMOS制程，可以長期保留數(shù)據(jù)。PCM測試芯片的設(shè)計和制造集合了各地科學(xué)家的努力，包括Burlington、佛蒙特、Yorktown Heights、紐約和蘇黎世的科學(xué)家。科學(xué)家們測試了五個月時間的數(shù)據(jù)保留效果。結(jié)果顯示多比特PCM的可靠性符合實用水平。

IBM Research蘇黎世部門的PCM研究項目將繼續(xù)在最近開張的Binnig and Rohrer Nanotechnology Center納米技術(shù)研發(fā)中心進行。該中心是IBM和蘇黎世ETH合作運營的。IBM和ETH在納米科學(xué)上有進行合作。該中心有先進的設(shè)備，包括針對納米制造的大型清洗室，以及6個“無噪音”實驗室，尤其是針對高敏感性試驗的封閉式實驗室。

記憶體技術(shù)的發(fā)展歷史

IBM是計算機記憶體技術(shù)發(fā)展的先驅(qū)。1966年，IBM的Robert Dennard博士發(fā)明了動態(tài)隨機存取記憶體（DRAM）。DRAM的發(fā)明，加上低成本微處理器的使用，為小型個人電腦的發(fā)展敞開了大門。如今，每臺個人電腦、筆記本電腦、掌上游戲機和其他計算設(shè)備都有搭載DRAM芯片。DRAM同時還應(yīng)用于大型機、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和運行互聯(lián)網(wǎng)的大部分機器。1988年，Dennard博士因為DRAM的發(fā)明而獲得美國國家技術(shù)獎?wù)拢║S National Medal of Technology）。在IBM今年的百年紀念中，IBM將DRAM列為最偉大的100項創(chuàng)新之一。更多信息，請參閱該網(wǎng)址<https://www.ibm.com/ibm100/us/en/icons/dram/>。

《漂移容錯型多層相變記憶體》報告的作者包括N. Papandreou、H. Pozidis、T. Mittelholzer、G.F. Close、M. Breitwisch、C. Lam和E. Eleftheriou。Haris Pozidis最近在加州Monterey舉行的第三屆IEEE（美國電氣和電子工程師協(xié)會）國際記憶體工作組會議上提出了該報告。