计算机内存技术取得突破
- 来源:计算机世界
- 关键字:计算机,内存,技术,突破
- 发布时间:2011-07-25 16:39
上个月，IBM宣布计算机内存技术获得重大突破，采用这项技术的相变存储器（Phase Change Memory， PCM）性能达到NAND内存的100倍，而寿命却比NAND内存长得多，同时更节能。NAND闪存是目前正在广泛使用的一项存储技术，以SSD（固态硬盘）为例，其写入速度能达到2Gb/s。IBM说，它已经生产出了PCM样片，每个单元能存储两个位元，没有数据读取错误问题，而数据读取错误是PCM一直困扰研究人员的问题。
与NAND闪存这种广泛用在SSD中的技术一样，PCM是非易失性的，这意味着电源中断后数据依然会保存在其中。而与NAND闪存不同，PCM内存在写入新数据之前不需要对删除数据进行标记。正是因为NAND闪存要对删除数据标记，所以降低了NAND闪存设备的性能，同时加快了存储介质的损耗，使得一般消费电子产品中的SSD平均寿命为写入5000？1万次，企业级产品写入次数10万次。而根据IBM的说法，PCM的写入次数可以多达5万次。
使用寿命更长的PCM
“如果闪存的写入次数达到3000次，对绝大多数手机和MP3播放器而言就足够了，但对企业级的产品而言远远不够。在企业中，有时一个小时SSD的写入次数都已经达到这个数值。”IBM苏黎世研究中心的通信研究经理Christopher Sciacca说。
IBM研究院的内存和前沿技术经理Haris Pozidis也表示，随着企业和消费者越来越多地倾向于采用云计算和服务模式，人们比以往任何时候都需要更强大、更高效，同时又更经济实惠的存储技术。Pozidis介绍说，过去5个月中，IBM的科学家一直在测试能够存储两位、最多三位的多层晶格（MLC）芯片。测试结果表明，这项技术已经有了很高的可靠性，可投入实际应用。
除了用在企业级存储系统中，PCM还可以作为DRAM的扩展。Pozidis说，DRAM继续作为最接近CPU的存储介质用来保存访问最频繁的那部分数据，而存储容量更大的PCM可用于保存不经常访问的数据。“存储空间更大的PCM就像一个缓冲池，如果数据再次变‘热’，再将它回迁到DRAM中。”
借助控制器CPU还可以直接与PCM进行对话，但CPU并不知道，它以为还是在与DRAM进行对话。“同样，最频繁访问的数据存储在DRAM，而不那么频繁访问的数据则存储在PCM。”他说。
人们预计，再过几年DRAM的光刻工艺演进到20？30纳米之间时将达到技术的极限（1纳米相当于4个金原子大小）。作为一种新兴的技术，PCM有望成为NOR、EEPROM、NVRAM存储器的替代品，这些都是三星、美光科技和韩国的Hynix半导体公司现在正在生产的主要存储产品。
目前的PCM技术生产的主要是单层晶格（SLC），每个存储单元只能存储一个位元，存储容量比较小。例如，三星在其GT - E2550 GSM手机中使用的就是512M的PCM存储芯片；美光科技公司Numonyx部门生产128 M的PCM存储芯片，主要供应给几个网络设备生产商和安全摄像机生产商。
用编码技术
解决短期漂移
相变存储器利用了材料中的电阻变化来存储数据：这种由多种元素（包括硫、硒或者碲等）组成的合金，当它从结晶相（低电阻）变为非晶相（高阻抗）时，电阻会发生变化。在PCM晶格中，相变材料放置顶部和底部的两个电极之间，通过电压或不同强度的电流脉冲来控制相变的发生。电流或者电压可以使这些材料升温，当达到某个温度阈值时，材料就从结晶改变为无序状态，反之亦然。
IBM的科学家说，通过使用先进的调制编码技术可以解除短期漂移问题，从而能够避免因采用多层晶格（MLC）而在PCM内存中出现位错误。短期漂移类似于NAND闪存中电子泄漏穿过薄薄的晶格壁而引发数据读取错误。NAND闪存是通过在控制器芯片使用纠错码（ECC）来解决这一问题的，但在PCM中数据错误不是通过事后纠正而通过使用专门的编码事前避免的。
“使用调制编码我们避免了最有可能出现的错误。事实上，调制编码已经出现在今天的硬盘和蓝光驱动器上。”Haris Pozidis说，“我们以标准电阻值为基础来施加电压，而后测量阻抗。若未达到阻抗的理想值，我们便会调整电压脉冲并再次测量，直到我们获得电阻值符合要求为止。”
科学家们的研究结果表明，最坏情况下写入延迟约为10微秒，这意味着即使是与市场上最好的闪存相比，PCM的性能也提高了100倍以上。
Pozidis说，IBM目前采用的PCM光刻工艺是90纳米的，这是当今最密的单层晶格PCM产品的两倍左右，但随着时间的推移，工艺肯定会改进。他透露，IBM还没有计划生产消费级的PCM产品，该技术的主要目标是许可给像东芝、三星这样的内存制造商，并帮助它们加快企业级内存芯片的生产。
其他研究人员还把碳纳米管技术引入到PCM芯片中来节省电力，从而把移动设备的电池续航能力延长到数周。
乐文 编译
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与NAND闪存这种广泛用在SSD中的技术一样，PCM是非易失性的，这意味着电源中断后数据依然会保存在其中。而与NAND闪存不同，PCM内存在写入新数据之前不需要对删除数据进行标记。正是因为NAND闪存要对删除数据标记，所以降低了NAND闪存设备的性能，同时加快了存储介质的损耗，使得一般消费电子产品中的SSD平均寿命为写入5000？1万次，企业级产品写入次数10万次。而根据IBM的说法，PCM的写入次数可以多达5万次。
使用寿命更长的PCM
“如果闪存的写入次数达到3000次，对绝大多数手机和MP3播放器而言就足够了，但对企业级的产品而言远远不够。在企业中，有时一个小时SSD的写入次数都已经达到这个数值。”IBM苏黎世研究中心的通信研究经理Christopher Sciacca说。
IBM研究院的内存和前沿技术经理Haris Pozidis也表示，随着企业和消费者越来越多地倾向于采用云计算和服务模式，人们比以往任何时候都需要更强大、更高效，同时又更经济实惠的存储技术。Pozidis介绍说，过去5个月中，IBM的科学家一直在测试能够存储两位、最多三位的多层晶格（MLC）芯片。测试结果表明，这项技术已经有了很高的可靠性，可投入实际应用。
除了用在企业级存储系统中，PCM还可以作为DRAM的扩展。Pozidis说，DRAM继续作为最接近CPU的存储介质用来保存访问最频繁的那部分数据，而存储容量更大的PCM可用于保存不经常访问的数据。“存储空间更大的PCM就像一个缓冲池，如果数据再次变‘热’，再将它回迁到DRAM中。”
借助控制器CPU还可以直接与PCM进行对话，但CPU并不知道，它以为还是在与DRAM进行对话。“同样，最频繁访问的数据存储在DRAM，而不那么频繁访问的数据则存储在PCM。”他说。
人们预计，再过几年DRAM的光刻工艺演进到20？30纳米之间时将达到技术的极限（1纳米相当于4个金原子大小）。作为一种新兴的技术，PCM有望成为NOR、EEPROM、NVRAM存储器的替代品，这些都是三星、美光科技和韩国的Hynix半导体公司现在正在生产的主要存储产品。
目前的PCM技术生产的主要是单层晶格（SLC），每个存储单元只能存储一个位元，存储容量比较小。例如，三星在其GT - E2550 GSM手机中使用的就是512M的PCM存储芯片；美光科技公司Numonyx部门生产128 M的PCM存储芯片，主要供应给几个网络设备生产商和安全摄像机生产商。
用编码技术
解决短期漂移
相变存储器利用了材料中的电阻变化来存储数据：这种由多种元素（包括硫、硒或者碲等）组成的合金，当它从结晶相（低电阻）变为非晶相（高阻抗）时，电阻会发生变化。在PCM晶格中，相变材料放置顶部和底部的两个电极之间，通过电压或不同强度的电流脉冲来控制相变的发生。电流或者电压可以使这些材料升温，当达到某个温度阈值时，材料就从结晶改变为无序状态，反之亦然。
IBM的科学家说，通过使用先进的调制编码技术可以解除短期漂移问题，从而能够避免因采用多层晶格（MLC）而在PCM内存中出现位错误。短期漂移类似于NAND闪存中电子泄漏穿过薄薄的晶格壁而引发数据读取错误。NAND闪存是通过在控制器芯片使用纠错码（ECC）来解决这一问题的，但在PCM中数据错误不是通过事后纠正而通过使用专门的编码事前避免的。
“使用调制编码我们避免了最有可能出现的错误。事实上，调制编码已经出现在今天的硬盘和蓝光驱动器上。”Haris Pozidis说，“我们以标准电阻值为基础来施加电压，而后测量阻抗。若未达到阻抗的理想值，我们便会调整电压脉冲并再次测量，直到我们获得电阻值符合要求为止。”
科学家们的研究结果表明，最坏情况下写入延迟约为10微秒，这意味着即使是与市场上最好的闪存相比，PCM的性能也提高了100倍以上。
Pozidis说，IBM目前采用的PCM光刻工艺是90纳米的，这是当今最密的单层晶格PCM产品的两倍左右，但随着时间的推移，工艺肯定会改进。他透露，IBM还没有计划生产消费级的PCM产品，该技术的主要目标是许可给像东芝、三星这样的内存制造商，并帮助它们加快企业级内存芯片的生产。
其他研究人员还把碳纳米管技术引入到PCM芯片中来节省电力，从而把移动设备的电池续航能力延长到数周。
乐文 编译
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