計算機內存技術取得突破

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

與NAND閃存這種廣泛用在SSD中的技術一樣，PCM是非易失性的，這意味著電源中斷后數據依然會保存在其中。而與NAND閃存不同，PCM內存在寫入新數據之前不需要對刪除數據進行標記。正是因為NAND閃存要對刪除數據標記，所以降低了NAND閃存設備的性能，同時加快了存儲介質的損耗，使得一般消費電子產品中的SSD平均壽命為寫入5000#12316;1萬次，企業級產品寫入次數10萬次。而根據IBM的說法，PCM的寫入次數可以多達5萬次。

使用壽命更長的PCM

“如果閃存的寫入次數達到3000次，對絕大多數手機和MP3播放器而言就足夠了，但對企業級的產品而言遠遠不夠。在企業中，有時一個小時SSD的寫入次數都已經達到這個數值。”IBM蘇黎世研究中心的通信研究經理Christopher Sciacca說。

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

除了用在企業級存儲系統中，PCM還可以作為DRAM的擴展。Pozidis說，DRAM繼續作為最接近CPU的存儲介質用來保存訪問最頻繁的那部分數據，而存儲容量更大的PCM可用于保存不經常訪問的數據。“存儲空間更大的PCM就像一個緩沖池，如果數據再次變‘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，最頻繁訪問的數據存儲在DRAM，而不那么頻繁訪問的數據則存儲在PCM。”他說。

人們預計，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的極限（1納米相當于4個金原子大小）。作為一種新興的技術，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半導體公司現在正在生產的主要存儲產品。

目前的PCM技術生產的主要是單層晶格（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128 M的PCM存儲芯片，主要供應給幾個網絡設備生產商和安全攝像機生產商。

用編碼技術

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據：這種由多種元素（包括硫、硒或者碲等）組成的合金，當它從結晶相（低電阻）變為非晶相（高阻抗）時，電阻會發生變化。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生。電流或者電壓可以使這些材料升溫，當達到某個溫度閾值時，材料就從結晶改變為無序狀態，反之亦然。

IBM的科學家說，通過使用先進的調制編碼技術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內存中出現位錯誤。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數據讀取錯誤。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中數據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。

“使用調制編碼我們避免了最有可能出現的錯誤。事實上，調制編碼已經出現在今天的硬盤和藍光驅動器上。”Haris Pozidis說，“我們以標準電阻值為基礎來施加電壓，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。”

科學家們的研究結果表明，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，這是當今最密的單層晶格PCM產品的兩倍左右，但隨著時間的推移，工藝肯定會改進。他透露，IBM還沒有計劃生產消費級的PCM產品，該技術的主要目標是許可給像東芝、三星這樣的內存制造商，并幫助它們加快企業級內存芯片的生產。

其他研究人員還把碳納米管技術引入到PCM芯片中來節省電力，從而把移動設備的電池續航能力延長到數周。