固態(tài)存儲(chǔ)的再進(jìn)化

劉春霖

摘?要分析各種有可能替代NAND存儲(chǔ)的新技術(shù)，對(duì)PCRAM STTRAM RRAM MRAM等新存儲(chǔ)技術(shù)的原理做簡(jiǎn)單介紹。

關(guān)鍵詞固態(tài)存儲(chǔ)；內(nèi)存；RAM

中圖分類(lèi)號(hào)TP文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1673-9671-(2011)071-0107-01

長(zhǎng)久以來(lái)，傳統(tǒng)的溫徹斯特式機(jī)械硬盤(pán)一直是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)速度的最大瓶頸。SSD固態(tài)硬盤(pán)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了機(jī)械硬盤(pán)的速度慢的最大劣勢(shì)。但現(xiàn)在的基于NAND閃存的固態(tài)硬盤(pán)仍存在寫(xiě)入壽命有限，故障率偏高，價(jià)格過(guò)高等各種缺點(diǎn)。本文就幾種可能替代先有固態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)的新存儲(chǔ)方式做一介紹。

1相變記憶體（PCRAM）

相變存儲(chǔ)技術(shù)的原理很簡(jiǎn)單，就是利用改變金屬記憶體的內(nèi)部晶格形態(tài)來(lái)記錄數(shù)據(jù)。當(dāng)然，想要使用相變存儲(chǔ)技術(shù)可沒(méi)有上面說(shuō)著這么簡(jiǎn)單。如果只是上嘴皮碰下嘴皮就能實(shí)現(xiàn)一種跨世紀(jì)的存儲(chǔ)技術(shù)，那么生活就是在太完美了。想要實(shí)現(xiàn)相變存儲(chǔ)技術(shù)，首先必須要找到一種可以穩(wěn)定而且沒(méi)有公害的存儲(chǔ)介質(zhì)，在高溫下存儲(chǔ)介質(zhì)的晶格會(huì)發(fā)生變化，而在低溫的情況下，記錄體的晶格會(huì)重新固定，但這種改變僅限于內(nèi)部晶格改變，而不是存儲(chǔ)介質(zhì)本身的物理形態(tài)發(fā)生改變。

對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)的要求并不只有這些，存儲(chǔ)介質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)必須相對(duì)穩(wěn)定，在常溫下和外力作用下不會(huì)發(fā)生太大的變化才行。在穩(wěn)定的狀態(tài)下，存儲(chǔ)介質(zhì)的晶格狀態(tài)與受熱發(fā)生變化的臨界點(diǎn)相差不大，以保證在比較低的功耗下就可以完成晶體狀態(tài)的改變。想要讓記憶體回到最早的記憶形態(tài)，必須保證外力加熱達(dá)到的熱量在記憶體晶格的變形溫度和融化溫度之間才行，否則容易造成數(shù)據(jù)丟失。

比較常見(jiàn)的相變記憶體材料是硫化物和一些帶有輻射的金屬材料，但由于環(huán)境因素的影響并不能使用在相變存儲(chǔ)技術(shù)環(huán)境中。目前硫族金屬化合物（Ge鍺、Sb銻、Te碲）的相變化薄膜材料最為常見(jiàn)。最早開(kāi)始使用相變記錄設(shè)備的是我們比較熟悉的光存儲(chǔ)，這些設(shè)備開(kāi)始使用能產(chǎn)生固定溫度的激光束，由于波長(zhǎng)固定，所以只需要控制入射角度就可以保證光束的變化可以融化晶體硫化物的記憶晶格。

PCRAM擁有高性能和低能耗的特性，能夠在一個(gè)芯片上結(jié)合NOR、NAND和RAM的最佳特質(zhì)。這些特質(zhì)包括：比特可變性、非易失性、高讀取速度、高寫(xiě)入/擦除速度以及良好的可擴(kuò)展性。

2自旋極化內(nèi)存技術(shù)（spin transfer torque random access memory （STTRAM））

STTRAM技術(shù)則基于電子自旋理論，利用改變自旋偏振電流的方法改變磁場(chǎng)方向，以此達(dá)到記錄數(shù)據(jù)的目地。STTRAM技術(shù)在省電性能方面比PCRAM相變內(nèi)存技術(shù)更為優(yōu)越，不過(guò)目前這種技術(shù)每個(gè)存儲(chǔ)單元只能儲(chǔ)存單個(gè)bit，如果能夠突破這種限制的話，那么預(yù)計(jì)未來(lái)十年內(nèi)很有可能成為磁盤(pán)式硬盤(pán)技術(shù)的有力競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

3電阻式內(nèi)存（resistive random access memories，RRAM）

RRAM是使用強(qiáng)相關(guān)（Strongly Correlated）電子類(lèi)的材料（如NiO、PCRAMO等），這類(lèi)型的材料具備CER（Colossal Electroresistance）的特質(zhì)效應(yīng)，即是對(duì)材料施壓電壓脈沖后，材料的電阻阻值會(huì)發(fā)生劇烈改變，使材料成為高阻值；反之，若從另一個(gè)方向施加電壓脈沖則會(huì)使材料轉(zhuǎn)變成低阻值，運(yùn)用阻值高、低的兩種狀態(tài)來(lái)儲(chǔ)存資料。

由此可知，RRAM是運(yùn)用特有材料的效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存，不過(guò)目前研究人員尚未全面了解效應(yīng)產(chǎn)生的個(gè)中原因，只知效應(yīng)的存在，并可做為儲(chǔ)存記憶。除了RRAM之名外，使用相同材料與效應(yīng)的研究還有Infineon的CBRAM及Samsung的OxRRAM，本質(zhì)上也是RRAM，皆運(yùn)用CER效應(yīng)，但使用的材料則各有不同，如OxRRAM使用NiO，Spansion研發(fā)的RRAM則使用CuO2。值得注意的是，同樣是材料及效應(yīng)，但結(jié)構(gòu)上還有1R1T與1R1D之別，其中1R1D的尺寸只有1R1T的2/3，可以使記憶密度更提升。在運(yùn)用表現(xiàn)上，RRAM的存取速度與SRAM相近，且斷電后資料仍可留存，記憶格密度上接近于NAND型Flash，讀取時(shí)為非破壞性讀取，可寫(xiě)入次數(shù)超過(guò)10的13次方次。

4磁電阻存儲(chǔ)器（Magnetoresistive RAM）

MRAM全稱(chēng)為Magnetoresistive RAM，中文為磁電阻存儲(chǔ)器，若說(shuō)PCRAM是運(yùn)用與可重復(fù)燒寫(xiě)光盤(pán)相同的材料及特性來(lái)記憶，則MRAM則是運(yùn)用與硬盤(pán)相同的磁性材料與硬盤(pán)讀寫(xiě)頭相同的巨磁效應(yīng)（Giant magnetoresistance；GMR）特性來(lái)記憶。MRAM是透過(guò)電流流向的改變來(lái)改變磁性材料的磁性偏轉(zhuǎn)，當(dāng)偏轉(zhuǎn)都朝一致方向時(shí)則視為1，反之若無(wú)一致方向則為0，磁向一致則偵測(cè)電流容易通過(guò)，反之則不容易通過(guò)，即是透過(guò)磁阻性來(lái)控制電阻性，以電阻性的高低來(lái)判別記憶內(nèi)容是0還是1。

MRAM在記憶及存取特性的表現(xiàn)上，其讀寫(xiě)速率快速，可寫(xiě)入次數(shù)極高（超過(guò)10的12次方次），資料保存也極耐久，且寫(xiě)入前不需要抹除，讀取后也不用刷新，不過(guò)MRAM存取操作時(shí)較為耗電，每個(gè)記憶格的尺寸也較大，這些是其弱點(diǎn)。

5總結(jié)

以上新型存儲(chǔ)器的類(lèi)型很多，但歸納而言還是有多項(xiàng)共性，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：1）存取速度快；2）斷電之后資料不丟失；3）存取功耗低；4）因?yàn)镹AND閃存寫(xiě)入慢、讀取快，讀與寫(xiě)的速度要對(duì)稱(chēng)一致；5）寫(xiě)入前不需要重新抹除，因?yàn)槟ǔ碾娗彝涎哟嫒∷俣龋?）不需要刷新，刷新容易阻礙性能；7）可寫(xiě)入次數(shù)盡可能高；8）資料保存年限盡可能久。

以上新興存儲(chǔ)器幾乎都做到高速存取與斷電后資料續(xù)存，因此即便新興存儲(chǔ)器都稱(chēng)為RAM但卻都具備ROM的非揮發(fā)特質(zhì)。雖然以上新存儲(chǔ)器但短時(shí)間內(nèi)還只能停留在實(shí)驗(yàn)室之內(nèi)，但假以時(shí)日，必然會(huì)有新技術(shù)替代先有的閃存式固態(tài)硬盤(pán)，成為新一代主流高性能存儲(chǔ)技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

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