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百年IBM的存储新革命:相变存储装置

        我们的存储装置已经在过去的80年中经历了异常激烈的变化,它们变得越来越难以理解和难以直接读出,但也变得更小、更快、更稳定。但是这并不够,因为人们对于效率的追求永无止境。现在,一种低耗能、高速度、全固态的存储设备也许会成为新的流行,而IBM所做出的努力也许能让这种叫做“相变存储装置” (Phase Change Memory,简为PCM)的设备更快地普及开来。


        “相”是指物质的状态,准确地说,是物质系统中具有相同物理性质的均匀物质部分。同属固态,但是碳有金刚石和石墨两种相,铁则有四种,其间的区别在于原子构成的不同结构。不同结构就会导致不同的物理性质,就像金刚石是世界上最坚硬的物质,而石墨却很软一样。人们尝试利用不同的相所表现出来的不同物理性质来分别代表0和1,这种存储方式就被称做“相变存储”。


        1960年,美国发明家Stanford Ovshinsky博士发现了一些玻璃在相变时电阻也会发生变化,而这种电阻变化是可逆的;几年后,他又发现一些材料在表现为不同的相时,对激光的反射率也有不同。这些发现意味着人们可以通过电流或者激光来测出物质的相,也带来了存储设备开发的新思路。Ovshinsky创立了“能量转换装置”公司,并且和Intel的创始人之一、提出了著名的“摩尔定律”的Gordon Moore合作,在1970年制造出第一块半导体相变存储器。


        当时是晶体管的黄金时代,相变存储器的时机尚未到来。1980年代,出于对可擦写CD的需求,相变存储装置迅速变成了大型产业—在不同的相中,材料的反射率不同,光驱的读取头便可以分辨出在当前激光扫描到的区域上存储的数据。后来,这种技术也同样被用在了可擦写DVD上。


        用于可擦写CD的相变材料能够在晶体和非晶体状态之间转化。当对非晶态的相变材料缓慢加热时,材料会慢慢变成晶体状态,呈现出一种反射特征;而如果对晶态的相变材料加热到熔点以上并且迅速降温的话,它就会凝结成非晶体,呈现出另一种反射特征。


        当然,要加热相变材料,并不只有激光一种方式,电也是一个好选择。半导体相变存储器件就是用电流加热相变材料,其过程和可擦写CD十分相似,但是使用的材料却大有不同。今天广泛使用的是一种简称为GST的材料,它由锗锑碲混合而成,三种元素的原子数量比是2:2:5。GST的特征是在不同的相时,电阻率会有明显的变化,通过测量流过GST的电流强度,就可以判断出当前存储的是0还是1。这是一种通过操纵原子排列而实现存储的设备。


        现在相变存储器的通用设计是把一层GST夹在顶端电极与底端电极之间,并且由底端电极延伸出的加热电阻接触GST层。电流注入加热电阻与GST的连接点时,产生的热量会引起相变,相变后的材料性质由电流、电压和时间决定,可以用较强的电流写入,用较弱的电流读取。


        这种存储装置有许多优势。它的使用寿命达到1000万次写入周期,远远高于企业级闪存芯片的3万次;它可以存储的最小单位是1位,这也是人们用来计量数据的最小单位。它不像内存那样需要持续的电流供应才不会丢失数据,读取和写入的速度远远超过闪存,而带宽却能够与内存媲美。无论怎么看,它都像是人们想要的那种存储设备。


        但是,目前依然还有困扰着相变存储器发展的问题:它的每个存储单元只能存储一位,成本不低而容量不高,目前只是小规模地适用于手机上,还不适合用于计算机。IBM苏黎世研发中心解决的就是这个问题。在6月份于美国加州蒙特利召开的第三届美国电气和电子工程师协会国际存储设备工作组会议上,IBM的研发工程师提出了多位相变存储器的设计报告,成功地在每个存储单元存储了四种不同的状态,让每个存储单元都能存储两位数据。


        这块PCM实验芯片使用90纳米工艺制造,拥有20万个存储单元,已经经过了5个月的数据存储实验,证明达到了企业级存储设备的要求。IBM的研发人员改进了整个写入流程,以“迭代式写入”的方法精确地控制存储单元的电阻率,还利用先进的调制技术提高了存储的可靠性。


        “组织和消费者越来越倾向于云计算模式。”苏黎世研发中心的存储技术部门经理Haris Pozidis说,“我们需要更强、更高效,而在价格上也可以接受的存储技术。通过这项研究,我们在相变存储实用化方面迈出了一大步。”


        的确如此。下一个新时代需要这样的设备,更好的多位相变存储器甚至可能亲手把它的前辈—同样诞生于IBM研发实验室的硬盘—彻底埋葬。但是那应该不会在最近发生。根据IBM的计划,多位相变存储器的量产应该会是2016年的事了。到底未来会不会是相变存储器的天下,让我们再等几年。

 

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