計算機內(nèi)存技術(shù)取得突破

上個月，IBM宣布計算機內(nèi)存技術(shù)獲得重大突破，采用這項技術(shù)的相變存儲器（Phase Change Memory， PCM）性能達到NAND內(nèi)存的100倍，而壽命卻比NAND內(nèi)存長得多，同時更節(jié)能。NAND閃存是目前正在廣泛使用的一項存儲技術(shù)，以SSD（固態(tài)硬盤）為例，其寫入速度能達到2Gb/s。IBM說，它已經(jīng)生產(chǎn)出了PCM樣片，每個單元能存儲兩個位元，沒有數(shù)據(jù)讀取錯誤問題，而數(shù)據(jù)讀取錯誤是PCM一直困擾研究人員的問題。

與NAND閃存這種廣泛用在SSD中的技術(shù)一樣，PCM是非易失性的，這意味著電源中斷后數(shù)據(jù)依然會保存在其中。而與NAND閃存不同，PCM內(nèi)存在寫入新數(shù)據(jù)之前不需要對刪除數(shù)據(jù)進行標(biāo)記。正是因為NAND閃存要對刪除數(shù)據(jù)標(biāo)記，所以降低了NAND閃存設(shè)備的性能，同時加快了存儲介質(zhì)的損耗，使得一般消費電子產(chǎn)品中的SSD平均壽命為寫入5000#12316;1萬次，企業(yè)級產(chǎn)品寫入次數(shù)10萬次。而根據(jù)IBM的說法，PCM的寫入次數(shù)可以多達5萬次。

使用壽命更長的PCM

“如果閃存的寫入次數(shù)達到3000次，對絕大多數(shù)手機和MP3播放器而言就足夠了，但對企業(yè)級的產(chǎn)品而言遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在企業(yè)中，有時一個小時SSD的寫入次數(shù)都已經(jīng)達到這個數(shù)值。”IBM蘇黎世研究中心的通信研究經(jīng)理Christopher Sciacca說。

IBM研究院的內(nèi)存和前沿技術(shù)經(jīng)理Haris Pozidis也表示，隨著企業(yè)和消費者越來越多地傾向于采用云計算和服務(wù)模式，人們比以往任何時候都需要更強大、更高效，同時又更經(jīng)濟實惠的存儲技術(shù)。Pozidis介紹說，過去5個月中，IBM的科學(xué)家一直在測試能夠存儲兩位、最多三位的多層晶格（MLC）芯片。測試結(jié)果表明，這項技術(shù)已經(jīng)有了很高的可靠性，可投入實際應(yīng)用。

除了用在企業(yè)級存儲系統(tǒng)中，PCM還可以作為DRAM的擴展。Pozidis說，DRAM繼續(xù)作為最接近CPU的存儲介質(zhì)用來保存訪問最頻繁的那部分?jǐn)?shù)據(jù)，而存儲容量更大的PCM可用于保存不經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)。“存儲空間更大的PCM就像一個緩沖池，如果數(shù)據(jù)再次變‘熱’，再將它回遷到DRAM中。”

借助控制器CPU還可以直接與PCM進行對話，但CPU并不知道，它以為還是在與DRAM進行對話。“同樣，最頻繁訪問的數(shù)據(jù)存儲在DRAM，而不那么頻繁訪問的數(shù)據(jù)則存儲在PCM。”他說。

人們預(yù)計，再過幾年DRAM的光刻工藝演進到20#12316;30納米之間時將達到技術(shù)的極限（1納米相當(dāng)于4個金原子大小）。作為一種新興的技術(shù)，PCM有望成為NOR、EEPROM、NVRAM存儲器的替代品，這些都是三星、美光科技和韓國的Hynix半導(dǎo)體公司現(xiàn)在正在生產(chǎn)的主要存儲產(chǎn)品。

目前的PCM技術(shù)生產(chǎn)的主要是單層晶格（SLC），每個存儲單元只能存儲一個位元，存儲容量比較小。例如，三星在其GT - E2550 GSM手機中使用的就是512M的PCM存儲芯片；美光科技公司Numonyx部門生產(chǎn)128 M的PCM存儲芯片，主要供應(yīng)給幾個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備生產(chǎn)商和安全攝像機生產(chǎn)商。

用編碼技術(shù)

解決短期漂移

相變存儲器利用了材料中的電阻變化來存儲數(shù)據(jù)：這種由多種元素（包括硫、硒或者碲等）組成的合金，當(dāng)它從結(jié)晶相（低電阻）變?yōu)榉蔷啵ǜ咦杩梗r，電阻會發(fā)生變化。在PCM晶格中，相變材料放置頂部和底部的兩個電極之間，通過電壓或不同強度的電流脈沖來控制相變的發(fā)生。電流或者電壓可以使這些材料升溫，當(dāng)達到某個溫度閾值時，材料就從結(jié)晶改變?yōu)闊o序狀態(tài)，反之亦然。

IBM的科學(xué)家說，通過使用先進的調(diào)制編碼技術(shù)可以解除短期漂移問題，從而能夠避免因采用多層晶格（MLC）而在PCM內(nèi)存中出現(xiàn)位錯誤。短期漂移類似于NAND閃存中電子泄漏穿過薄薄的晶格壁而引發(fā)數(shù)據(jù)讀取錯誤。NAND閃存是通過在控制器芯片使用糾錯碼（ECC）來解決這一問題的，但在PCM中數(shù)據(jù)錯誤不是通過事后糾正而通過使用專門的編碼事前避免的。

“使用調(diào)制編碼我們避免了最有可能出現(xiàn)的錯誤。事實上，調(diào)制編碼已經(jīng)出現(xiàn)在今天的硬盤和藍(lán)光驅(qū)動器上。”Haris Pozidis說，“我們以標(biāo)準(zhǔn)電阻值為基礎(chǔ)來施加電壓，而后測量阻抗。若未達到阻抗的理想值，我們便會調(diào)整電壓脈沖并再次測量，直到我們獲得電阻值符合要求為止。”

科學(xué)家們的研究結(jié)果表明，最壞情況下寫入延遲約為10微秒，這意味著即使是與市場上最好的閃存相比，PCM的性能也提高了100倍以上。

Pozidis說，IBM目前采用的PCM光刻工藝是90納米的，這是當(dāng)今最密的單層晶格PCM產(chǎn)品的兩倍左右，但隨著時間的推移，工藝肯定會改進。他透露，IBM還沒有計劃生產(chǎn)消費級的PCM產(chǎn)品，該技術(shù)的主要目標(biāo)是許可給像東芝、三星這樣的內(nèi)存制造商，并幫助它們加快企業(yè)級內(nèi)存芯片的生產(chǎn)。

其他研究人員還把碳納米管技術(shù)引入到PCM芯片中來節(jié)省電力，從而把移動設(shè)備的電池續(xù)航能力延長到數(shù)周。