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記憶體/儲存  

細說相變記憶體的沿革

上網時間: 2010年10月12日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:PCM  相變記憶體  NAND  NOR  EEPROM 

相變記憶體(PCM)是用來描述一種非動態記憶體的術語,該類元件利用了某些材料具有在兩個穩定實體相態間迅速改變相態的能力。相變記憶體兼具NOR快閃記憶體、NAND快閃記憶體、EEPROM記憶體和DRAM的通常屬性(圖1);在下一代非動態記憶體(NVM)之爭中,PCM領先其它技術,並將拓展NVM在運算和儲存系統的應用。隨著諸如NOR和NAND快閃記憶體等傳統的基於電子儲存的記憶體開始面臨製造製程微縮困境,PCM被認為是可進一步微縮NVM製程的最佳候選技術。


圖1:PCM屬性:此類新的非動態記憶體集NOR、NAND和RAM的優勢於一身。

相變記憶體一般包含幾項獨特性能:

非揮發:與NOR和NAND快閃記憶體一樣,PCM也是非揮發的。當然,對DRAM來說,它需要諸如電池後備系統等持續的電源供給來維持資訊,因而導致更高功耗。DRAM技術還易受到由α粒子或宇宙輻射造成的所謂‘軟錯誤’或隨機位元錯誤的影響,而PCM則無此之虞。

可擴展性:現有的如NOR、NAND、EEPROM和RAM等記憶體的記憶儲存機制都仰賴電荷(電子)儲存。隨著製程尺度的不斷微縮,所能儲存的電子數已減少到會影響元件可靠性的臨界點,製程尺度的繼續微縮變得十分困難。這導致必須採用更加複雜的結構,而回報卻逐漸減少。而PCM不使用電子,它採用物理相變作為其儲存機制。在小至5nm量級時,PCM已證明其所記憶的相都能保持穩定。可擴展性是開發PCM的主要動機之一。

位元可變/擦除/軟體:與RAM一樣,PCM也是位元可變的。與RAM和PCM不同,為改變少量資訊,快閃記憶體技術需要一個涉及大量資料塊作業的單獨擦除步驟。位元可變性可大幅簡化記憶體的使用,加之不需要單獨的擦除步驟,也使記憶體的軟體管理容易得多。在某些使用環境,PCM的使用會與RAM一樣容易。

寫入速度:PCM可實現能與媲美的NAND寫入頻寬,同時降低了100倍的初始延遲(寫入第一個位元組的時間),完全不需要單獨(且慢)的擦除步驟。在寫入前免除緩慢的擦除步驟,將大幅提高寫入頻寬的整體效益,而更低的延遲則允許PCM用在更多領域,如作為一種直接寫入記憶體,而非常見於NAND應用的大容量儲存裝置。PCM的寫入速度(頻寬和延遲)尚不能與DRAM相提並論;雖然,借由適當的管理、在一些不經常發生或受管控的寫應用中可用PCM替換DRAM。

讀取速度:與RAM和NOR快閃記憶體一樣,PCM技術也具有快的隨機讀取速度這一特性。這使得可從PCM中直接讀取程式碼執行程式、而不需先行複製到RAM中。相反,NAND快閃記憶體的隨機讀取時間可長達數十微秒,因而無法實現直接程式碼執行。

所有上述屬性使PCM擁有了獨特機會以為下一代非動態記憶體提供一系列更豐富的性能特性,因而使其在目前的DRAM和NAND間堅實地佔有一席之地。

相變記憶體歷史回顧

早在多年前,人們就瞭解到可控相變材料的存在了。事實上,這種材料早已應用在光學記憶體領域中。最近,基於先前討論的原因,人們又重新喚起了將基於這些材料的電子記憶體作為下一代非動態記憶體的興趣。美光科技和其它機構拓展的相關研究已使該技術成為記憶體產業研發活動的前端領域,它可望改變NVM在記憶體系統中的使用方式。

相變材料的歷史可追溯到1950年代,當時一位研究玻璃材料屬性的Stanford Ovshinsky博士發現了該材料具備能夠在兩個相位間穩定變換的特性。1960年代末,他指出一旦某些這類材料在有序(多晶)態和無序(非晶)態間發生相態變化,其電阻和反射率也隨之同時發生可逆變化。人們認識到,這種效應既可被用於光記憶體又可被用於電子記憶體。在1970年9月28日出版的《電子學》期刊中,Ovshinsky博士成立的一家公司——Energy Conversion Devices(ECD)聯同英特爾的戈登·摩爾報告了世界上首個電子相變記憶體陣列(一個256位元的半導體元件)。

大約30年後,ECD和Tyler Lowery共同成立了一家合資公司Ovonyx。Tyler Lowery是由Micron Technology公司的前CTO/COO所創辦。2000年2月,英特爾與Ovonyx發佈了合作和授權協議,催生了現在PCM的研究和發展工作。2000年12月,STMicroelectronics和Ovonyx也展開合作。到了2003年,這三家公司已經開始整合,不僅加快技術的發展,也避免重複的基礎技術研發。2005年,ST和英特爾共同開發90nm的PCM技術。


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