近年来，非易失性存储技能在许多方面都取得了一些重大发展，为计算机体系的存储能效进步带来了新的关键，选用新式非易失性存储技能来代替传统的存储技能可以习惯计算机技能发展对高存储能效的需求。以相变存储器为代表的多种新式存储器技能因具有高集成度、低功耗等特色而遭到国内外研讨者的广泛重视，本文介绍相变存储器的作业原理、技能特色及其国内外最新研讨发展。
一、相变存储器的作业原理
相变存储器(Phase Change Random Access Memory, 简称PCRAM)的根本结构如图1所示，相变存储器的根本存储原理是在器材单元上施加不同宽度和高度的电压或电流脉冲信号，使相变资料产生物理相态的改变，即晶态(低阻态)和非晶态 (高阻态)之间产生可逆相变彼此转化，然后完成信息的写入 (“1”)和擦除(“0”)操作。彼此转化进程包含了晶态到非晶态的非晶化改变以及非晶态到晶态的晶化改变两个进程，其间前者被称为非晶化进程，后者被称为晶化进程。然后依托丈量比照两个物理相态间的电阻差异来完成信息的读出，这种非破坏性的读取进程，可以保证精确地读出器材单元中已存储的信息。
相变资料在晶态和非晶态的时分电阻率距离相差几个数量级，使得其具有较高的噪声容限，足以区别“ 0”态和“ 1”态。现在各组织用的比较多的相变资料是硫属化物(英特尔为代表)和含锗、锑、碲的组成资料(GST)，如Ge2Sb2Te5(意法半导体为代表)。
图1: PCRAM结构示意图
二、相变存储器的技能特色
相变存储器具有许多长处，比方可嵌入功用强、优异的可重复擦写特性、稳定性好以及和CMOS工艺兼容等。到现在为止，还未发现PCRAM 有清晰的物理极限，研讨标明相变资料的厚度降至2nm时，器材依然可以产生相变。因而，PCRAM 被认为是最有或许处理存储技能问题、替代现在干流的存储产品，成为未来通用的新一代非挥发性半导体存储器材之一。
相变存储器进步存储容量的办法有两种：一种是三维堆叠，还有一种是多值技能。英特尔和美光要点打破的是三维堆叠技能，而IBM在多值存储范畴取得了打破性发展。
图2：PCRAM打破存储容量的两大技能方向：三维堆叠和多值存储
三维堆叠技能经过芯片或器材在笔直方向的堆叠，可以明显添加芯片集成度，是连续摩尔定律的一种重要技能。穿插堆叠(cross point)的三维存储结构被广泛应用于非易失存储器，英特尔和美光一起研发的3D Xpoint技能，就是一种三维穿插堆叠型相变存储器。当时，三维新式非易失存储器的研讨首要会集在器材和阵列层面。与传统的二维存储器不同，三维相变存储器选用了新式的双向阈值开关(Ovonic Threshold Switch，OTS)器材作为选通器材(selector)。依据OTS器材的物理特性和三维穿插堆叠阵列结构的特色，三维穿插堆叠型相变存储器选用一种V/2偏置办法以完成存储单元的操作。
IBM是相变存储器多值存储技能的推进者，其每个存储单元都能长时间可靠地存储多个字节的数据。为了完成多位存储，IBM的科学家开发出了两项立异性的使能技能：一套不受偏移影响单元状况丈量办法以及偏移容错编码和检测计划。更具体地说，这种新的单元状况丈量办法可丈量PCRAM单元的物理特性，检测其在较长时间内是否能保持稳定状况，这样的话其对偏移就会不灵敏，而偏移可影响此单元的长时间电导率稳定性。为了完成一个单元上所贮存的数据在环境温度动摇的情况下仍能取得额定的稳健性(additional robustness)，IBM的科学家选用了一种新的编码和检测计划。这个计划可以经过自习惯办法批改用来检测此单元所存储数据的电平阈值，使其能跟着温度改变引起的各种动摇而改变。因而，这种存储器写入程序后，在适当长的时间内都能可靠地读取单元状况，然后可供给较高的非易失性。
三、国内外相变存储器的最新研讨发展
现在国内外有不少企业和科研组织都在研讨相变存储器，但由于PCRAM技能还有许多难点有待霸占，故大多组织的研发发展并不顺畅，国外PCRAM知识产权首要被索尼、三星、IBM、美光四家公司所独占，能完成小规模量产的只要三星、美光等海外大公司，以及国内中科院上海微体系所与信息技能研讨所。近期IBM方声称其在PCRAM范畴取得了重大打破，其运用可以以多种不同的电阻等级来完成每单元3 bit(即8个电阻等级)的包容才能，其速度比NAND快70倍，读取推迟仅为1微秒，是DRAM的十倍，写入周期长达100万次。
图3：国外PCRAM的首要研发组织
国内现在对PCRAM技能的研讨组织首要有中国科学院上海微体系与信息技能研讨所、华中科技大学等。中国科学院上海微体系与信息技能研讨所发现了比世界量产的Ge-Sb-Te功能更好的Ti-Sb-Te自主新式相变存储资料;自主研发了具有世界先进水平的双沟道阻隔的4F2高密度二极管技能;开发出了我国第一款8Mb PCRAM实验芯片;所开发的根据0.13umCMOS工艺的打印机用嵌入式PCRAM产品已取得首个750万颗的订单;所开发的根据40nm高密度二极管技能、具有最小单元尺寸的自读存储器现已开端送样;所研发的40nm节点PCRAM实验芯片的单元成品率最高达99.999%以上，甚至有不加批改4Mb、64Mb PCRAM芯片，现已供给客户在先进信息体系上试用。华中科技大学研发成功容量为1Mb的PCRAM芯片，相变速度到达同期全球最快(0.2ns)。
