相變存儲器的存儲技術(shù)教學研究

李華

(清遠市技師學院，廣東 清遠 511517)

相變存儲器的存儲技術(shù)教學研究

李華

(清遠市技師學院，廣東 清遠 511517)

相變存儲器的誕生，是人類存儲技術(shù)的一個里程碑，它改善了傳統(tǒng)D RA M存儲方式的缺陷，進一步拓展了計算機內(nèi)存，使計算機結(jié)構(gòu)發(fā)生了創(chuàng)新性的變革。本文從相變存儲器的概念入手，對其相變存儲技術(shù)進行初步的分析研究，總結(jié)它的規(guī)律和特點，以期為今后的存儲技術(shù)教學帶來一些有益的幫助。

相變存儲器；存儲系統(tǒng)；存儲技術(shù)

1 引言

隨著計算機技術(shù)的進一步發(fā)展，人類全面步入了數(shù)字時代，科技已經(jīng)給人們的生活帶來了翻天覆地的變化。其中最顯著的一點，就是信息的創(chuàng)造、接收和傳輸，無數(shù)的信息構(gòu)成了現(xiàn)代社會的主要框架，是人與人之間進行溝通的主要手段。可以說，我們現(xiàn)在身處于一個以信息為載體的巨大的數(shù)據(jù)社會之中。海量的數(shù)據(jù)雖然給人們的生活帶來了便利，卻也使得計算機及相應的存儲系統(tǒng)受到了嚴峻的考驗，如何提高計算機的內(nèi)存容量及運算速度，加強內(nèi)存的可靠性，成為當前計算機行業(yè)面臨的最大難題。我們熟知的內(nèi)存技術(shù)DDR2(Double Data Rate 2)及DDR3已經(jīng)逐漸淘汰，現(xiàn)在DDR4的技術(shù)已經(jīng)十分成熟，但是在面對不斷增長的信息數(shù)量時，DDR4內(nèi)存技術(shù)也開始遇到瓶頸。這既有DRAM(動態(tài)隨機存儲器)的尺寸已經(jīng)達到極限，以目前的制作工藝來說難以再有突破的問題；也有信息載入和數(shù)據(jù)刷新所導致的能耗隨著內(nèi)存容量的增加而擴大的問題。因此，人們開始轉(zhuǎn)而研究微觀電子技術(shù)，例如NVM(非易失存儲器)、STT—RAM (自旋轉(zhuǎn)移矩磁隨機存儲器)，MRAM(磁性隨機存儲器)和Fe-RAM(鐵電隨機存儲器)等，都是新型存儲器的典型代表，其中PCM(Phase Change Memory)，即相變存儲器，以在實踐應用中的表現(xiàn)受到了廣泛好評，發(fā)展前景十分看好。本文在介紹相變存儲器的概念及應用的基礎(chǔ)上，進一步探討其教學方法，為相變存儲器的教學應用積累一定的經(jīng)驗。

2 相變存儲器的概念與應用

相變存儲器是一種新型非易失存儲器，它由硫族化合物材料組成，這種材料具有可逆轉(zhuǎn)的物理狀態(tài)，將其應用于信息存儲技術(shù)中，使得存儲器具備了非易失性、存儲密度高、使用壽命長、工藝尺寸小、讀寫速度快、功耗低等優(yōu)點。這種可逆轉(zhuǎn)的物理狀態(tài)其實就是存儲器的介質(zhì)材料在適當條件下會在非晶體狀態(tài)和晶體狀態(tài)之間發(fā)生轉(zhuǎn)變，在轉(zhuǎn)變的過程中兩種狀態(tài)都會呈現(xiàn)出各自的電阻特性和光學特性。因此，可以利用“0”和“1”來表示這兩種狀態(tài)。應用在相變存儲器中，“l(fā)”就表示一個中溫結(jié)晶的過程：通過對硫族化合物施加一個強度適中、時間較長的電脈沖，使其持續(xù)加熱直至溫度上升到中溫（即溫度以上、溶化溫度以下）從而導致結(jié)晶，這個中溫結(jié)晶的過程也被稱為SET過程。“0”則表示一個高溫淬火的過程：對硫族化合物施加一個強度很高但時間較短的電脈沖，使材料溫度迅速上升到熔點之上，然后迅速進行淬火（即迅速降溫），材料將由熔融狀態(tài)進入非晶體狀態(tài)，這個高溫淬火的過程被稱為RESET過程。盡管相變存儲器的概念相對復雜，對于高職院校的學生來說不易于理解和掌握，但是其廣泛的應用前景，能夠為學生今后的學習和發(fā)展提供重要的幫助，值得進行深入的教學研究。

相變存儲器在實際環(huán)境中的表現(xiàn)穩(wěn)定，各種性能優(yōu)良，是各大廠商和研究機構(gòu)的重點研究對象。可以肯定的是，未來存儲系統(tǒng)的發(fā)展趨勢將會由它來主導。目前來說，主要是作為計算機系統(tǒng)的內(nèi)存和外存。相比較DRAM而言，PCM作為內(nèi)存的寫延遲要高出10倍，但是它具有非易失性，并且存儲密度較大，能耗相對較小，這使得它在需要大容量低能耗的系統(tǒng)中更具競爭優(yōu)勢。與Flash技術(shù)相比，PCM的運算速度和使用壽命都較好，且工藝尺寸較低，使得PCM更符合當前海量存儲系統(tǒng)高速率、低功耗的要求。PCM在其他新環(huán)境中的應用也很廣泛，它的非易失性和良好的讀寫性能使其在數(shù)據(jù)恢復和檢查點信息中表現(xiàn)出色，而其穩(wěn)定的抗輻射特性在航空航天領(lǐng)域也有很大用處；PCM在移動智能終端中的應用，甚至有可能會再次引發(fā)手機行業(yè)的革命。這些例子都說明了相變存儲器在當今社會乃至未來社會中所扮演的重要角色，因此在高職院校中進行相變存儲器的教學，是十分必要的。

3 PCM內(nèi)存技術(shù)研究

3.1 直接內(nèi)存技術(shù)

直接內(nèi)存技術(shù)盡管出現(xiàn)較早，但是其缺點明顯，在實際應用中的表現(xiàn)不佳。特別是其概念相對抽象，對于高職院校來說，教學難度較大。針對容量增加導致存儲性能降低的問題，有學者提出了基于MMS(Morphable Memory System)框架的PCM內(nèi)存技術(shù)，該技術(shù)能夠在內(nèi)存中有效整合PCM設(shè)備，并通過檢測負載來明確各個設(shè)備的存儲資源需求，然后進行重新分配。該框架能夠進行多層次的數(shù)據(jù)處理，即當負載較少，所需內(nèi)存不高時，它能夠使PCM設(shè)備按照單層單元的形式運行，以降低數(shù)據(jù)處理的延遲，提高讀寫速度；當負載增加，對內(nèi)存容量的需求升高時，它就可以恢復到高密度多層次的單元形式運行，最大限度地滿足負載需求。需要注意的是，盡管MMS框架使得直接內(nèi)存技術(shù)在設(shè)備容量與系統(tǒng)性能之間得到了一定的平衡，但是負載的變化需要復雜精細的硬件控制器來調(diào)節(jié)，同時還要有高效的管理軟件來對數(shù)據(jù)進行遷移和映射。

PCM具有非易失性，即使系統(tǒng)失去動力，也能夠及時保存相關(guān)的數(shù)據(jù)，并等待系統(tǒng)重新啟動，但是這個優(yōu)點卻帶來了數(shù)據(jù)安全隱患。一般都要針對每個緩存行進行計數(shù)器加密，即每次數(shù)據(jù)寫回緩存行時（例如系統(tǒng)重啟），都需要該緩存行的計數(shù)器及其他所有緩存行的計數(shù)器共同控制才能成功，從而確保數(shù)據(jù)的安全。教師可以舉例來向?qū)W生說明，系統(tǒng)好比一個倉庫，每個緩存行負責從倉庫提取貨物，一旦出現(xiàn)退貨的情況，就需要該緩存行的管理員（即計數(shù)器）進行確認，然后經(jīng)過所有管理員同意之后才能完成退貨。這種貼近生活的例子有助于學生更好地理解抽象的存儲系統(tǒng)運行的概念。

3.2 混合內(nèi)存技術(shù)

混合內(nèi)存技術(shù)目前較為流行，在實踐中的表現(xiàn)也很出色。有學者研究了將PCM和DRAM混合使用的內(nèi)存系統(tǒng)，其性能要優(yōu)于單獨的PCM內(nèi)存。這是因為PCM在讀寫大量數(shù)據(jù)的時候，會產(chǎn)生一定的寫延遲（存儲單元寫延遲和漂移延遲的統(tǒng)稱），這對PCM內(nèi)存的性能有著很大的影響：在信息數(shù)量增加的情況下，PCM的寫延遲會不斷增加功耗，導致寫操作的數(shù)據(jù)寬度受到限制；如果想要改變數(shù)據(jù)寬度，則一定會增加寫延遲。加入DRAM之后，數(shù)據(jù)首先進入DRAM的緩沖區(qū)，在檢索數(shù)據(jù)的過程中如果發(fā)生頁表缺失，則數(shù)據(jù)直接寫入DRAM中；如果頁表被修改或者被逐出時，再將數(shù)據(jù)寫入PCM中，即只向PCM寫入修改過的緩存行。這樣能夠明顯地改善PCM寫操作過多的狀況，降低讀寫數(shù)據(jù)所帶來的寫延遲。需要注意的是，兩種內(nèi)存的混合比例是一定的，不能隨意變換。教師可以帶領(lǐng)學生進行上機操作，自己動手設(shè)計兩種內(nèi)存的混合比例，然后根據(jù)實驗結(jié)果找出效果最佳的比例。這樣既可以幫助學生鞏固理論知識，鍛煉動手操作能力；又加深了學生對混合內(nèi)存技術(shù)的理解，無形中提高了教學效果。實驗結(jié)論為當DRAM的容量占PCM存儲設(shè)備容量的3%時，混合內(nèi)存系統(tǒng)的性能可以達到最佳。

4 PCM外存技術(shù)研究

4.1 外存技術(shù)

研究PCM的外存技術(shù)，對于高職院校的學生來說具有更加現(xiàn)實的意義，那就是尋找和發(fā)現(xiàn)提高PCM使用壽命的方法。常見的PCM由于具有出色的讀寫速度，經(jīng)常會將需要重復讀寫的日志文件存放其中，以便進一步提高內(nèi)存的運行速度及數(shù)據(jù)庫的性能，但是這種方法對PCM的損耗十分嚴重。一些科研團體開發(fā)出了PCM和NAND Flash混合的外存結(jié)構(gòu)，用NAND Flash來存儲常用的數(shù)據(jù)頁，減輕PCM的存儲壓力，也避免了NAND Flash處理日志時經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)擁堵。同時，由于PCM具有支持本地更新的特點，用來存儲日志頁可以減少因更新而造成的頻繁讀寫。但是這個方案仍然有所不足，那就是對PCM的處理能力依賴過重，所造成的損耗仍然較大。各個學院及企業(yè)單位都在積極尋找更加合適的方法，例如在混合外存系統(tǒng)中應用的塊映射算法，即WAB—FTL，利用PCM存儲映射表，通過延遲映射表條目和減少映射表條目這兩種操作機制來對映射表中的位進行保護，盡量減少修改的次數(shù)，從而提升PCM的壽命；延遲映射表條目，即Lazy—Merge，可以在替換塊被擦除后，將舊的替換塊的有效頁表及對應的映射表記錄復制到新的塊中；減少映射表條目，即Cooling—Pool，采用了緩沖池來存儲不斷更新的映射表記錄，以減少對PCM的擦寫操作。教師可以就此設(shè)置一個實驗項目，帶領(lǐng)學生們組成團隊，深入研究相關(guān)方法；提供必要的理論指導，鼓勵學生提出一些大膽的設(shè)想并付諸實踐。在不斷探索和操作的過程中，學生相當于參加了一次生動有趣的實習，大大提高了教學質(zhì)量。

4.2 SCM技術(shù)

SCM技術(shù)是基于PCM存儲器的新型技術(shù)，它采用非易失介質(zhì)來進行存儲，存儲密度高、存儲容量大、功耗也較低，運行速度較快，不需要緩存，也不需要復雜的調(diào)度機制，與DRAM相比毫不遜色。同時它還具有非易失性，存儲的數(shù)據(jù)會受到內(nèi)存硬件機制的保護，避免信息丟失或遺漏。例如斷電的時候，內(nèi)存會自動保存SCM設(shè)備中的內(nèi)容。這個特點在教學應用中具有十分重要的意義，因為它將是存儲系統(tǒng)未來發(fā)展的主要方向。教師在課堂上要重點講授這些內(nèi)容，以保證學生的知識體系得到及時的更新，不會與社會需求脫節(jié)。例如學生不僅要知道目前SCM主要用于統(tǒng)一內(nèi)外存來使用，即可以當內(nèi)存又可以當外存，其介質(zhì)類型主要有PCM、MRAM、FeRAM等；還要知道SCM作為內(nèi)存使用時，可以成為下一級外存的緩存，直接連接CPU來控制硬件管理，降低訪問延遲，擴展內(nèi)存的容量等；作為外存使用時，可以采用軟件方式來進行管理，雖然有較高的延遲，但是仍然要比傳統(tǒng)的磁盤訪問更加出色。

5 總結(jié)

以相變存儲器為代表的新型存儲技術(shù)，具有高集成度、按字節(jié)尋址能力、非易失性等顯著特點，對現(xiàn)有的計算機存儲系統(tǒng)產(chǎn)生了重要的影響，甚至會引領(lǐng)未來存儲技術(shù)的變革。由于計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，對存儲系統(tǒng)的要求日益增長，大容量、高密度、低能耗、便攜式的快速存儲設(shè)備將成為主流。這種需求也吸引更多的人才投入到了該技術(shù)的研究中去，為解決眼前的一些缺點，如讀寫延時高、擦寫次數(shù)影響使用壽命等，提供了多種解決辦法，努力使其走向完善和實用的高層次。同時，這種新型的存儲技術(shù)也給計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計方向帶來了新的機遇，為計算機技術(shù)的創(chuàng)新和變革打下重要的基礎(chǔ)。

[1]張鴻斌．基于相變存儲器的存儲系統(tǒng)與技術(shù)綜述[J]．計算機研究與發(fā)展，2014，51(8)：1647-1662．

[2]冒偉．基于相變存儲器的存儲技術(shù)研究綜述[J]．計算機學報，2015，38(5)：944-960．

Review on the Teaching of Storage System Technology of Phase Change Memory

Li Hua
(Qingyuan Senior Technical Institute,Qingyuan 511517,Guangdong)

The birth of phase change memory is a milestone of human storage technology.It improves the defects of traditional DRAM storage and further expands the computer's memory,making innovative changes to the computer architecture.This article starts with the concept of phase change memory,studies on the phase change storage technology preliminarily,summarizes its rule and characteristics,hoping to bring some useful help to the storage technology teaching.

phase change memory;storage system;storage technology

TP333

A

1008-6609(2017)03-0069-03

李華（1981-），男，湖南郴州人，學士，一級實習指導教師，研究方向為計算機教學。