瑞士蘇黎世：IBM Research的科學(xué)家首次展示了新的記憶體技術(shù)，也就是相變記憶體（PCM）。科學(xué)家在每個(gè)記憶體單元上可以在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)多個(gè)比特的數(shù)據(jù)。這個(gè)重大的技術(shù)進(jìn)步有助于發(fā)展低成本、更快速和更耐用的記憶體，可以應(yīng)用于各種消費(fèi)者設(shè)備（包括手機(jī)和云存儲(chǔ)），以及各種高性能應(yīng)用，比如企業(yè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
PCM集速度、耐用性、非易失性和密度等優(yōu)勢(shì)于一身，有可能在未來五年內(nèi)在企業(yè)IT和存儲(chǔ)系統(tǒng)領(lǐng)域掀起一場(chǎng)革命。科學(xué)家們一直在尋找一種比閃存更快速的非易失記憶體技術(shù)--閃存是如今最普遍的非易失記憶體技術(shù)。這樣的記憶體技術(shù)應(yīng)該可以讓計(jì)算機(jī)和服務(wù)器大大提高整體的IT系統(tǒng)性能。PCM相較閃存的一大優(yōu)勢(shì)就是它的讀取和寫入數(shù)據(jù)的速度100倍于閃存，可以進(jìn)行大容量存儲(chǔ)，在電源關(guān)閉后也不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。和閃存不同，PCM是非常耐用的記憶體，可以承受1千萬次寫入周期，而目前的企業(yè)級(jí)閃存只能承受3萬次，消費(fèi)者級(jí)別的閃存只有3000次。雖然3000次周期可以勝任許多消費(fèi)者設(shè)備，但是這樣的周期對(duì)企業(yè)級(jí)應(yīng)用來說太低了。
IBM Research（蘇黎世）的Memory and Probe Technologies部門經(jīng)理Haris Pozidis博士表示：“隨著單位用戶和消費(fèi)者越來越傾向云計(jì)算模式和服務(wù)--大部分?jǐn)?shù)據(jù)被存儲(chǔ)在云內(nèi)并在云內(nèi)處理--我們需要更加強(qiáng)大、高效同時(shí)從價(jià)格上可承受的存儲(chǔ)技術(shù)。通過展示這樣一個(gè)多比特相變記憶體技術(shù)，我們?cè)谙嘧冇洃涹w設(shè)備的實(shí)用化方面邁出了一大步。我們的PCM首次接近了企業(yè)級(jí)應(yīng)用所要求的可靠性水平。”
多層相變記憶體突破
為了取得技術(shù)上的突破，IBM在蘇黎世的科學(xué)家用一種高級(jí)調(diào)制編碼技術(shù)來緩解多比特PCM的短期漂移問題。漂移會(huì)導(dǎo)致電阻水平隨著時(shí)間流逝發(fā)生變化，有可能導(dǎo)致讀取錯(cuò)誤。此前，科學(xué)家還只有在1比特PCM上有取得可靠的數(shù)據(jù)保留效果，還沒有在多比特PCM上報(bào)道過可靠的數(shù)據(jù)保留效果。
PCM利用材料--各種元素的合金--中的電阻值的變化--從低電阻值的結(jié)晶態(tài)到高電阻值的非結(jié)晶態(tài)--來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)比特。在一個(gè)PCM單元中，相變材料被放在上下兩個(gè)電極中間。科學(xué)家可以通過電壓或不同強(qiáng)度的電流脈沖來有控制地改變相狀態(tài)。這些電壓或脈沖會(huì)加熱材料，不同的溫度水平會(huì)使得材料從結(jié)晶態(tài)變?yōu)榉墙Y(jié)晶態(tài)或反過來。
此外，根據(jù)電壓水平，電極中間的或多或少的材料會(huì)經(jīng)歷一次相變，從而直接影響到記憶體單元的電阻水平。科學(xué)家們成功地在每個(gè)單元上存儲(chǔ)多個(gè)比特的數(shù)值。在目前的工作中，IBM科學(xué)家利用四個(gè)電阻水平來存儲(chǔ)比特組合：“00”、“01”、“10”和“11”。
為了達(dá)到展示的可靠性水平，必須在“讀取”和“寫入”流程上有重大的技術(shù)進(jìn)步。科學(xué)家們利用迭代“寫入”方法來克服由于記憶體單元和相變材料本身可變性所帶來的電阻偏移。Pozidis解釋道：“我們根據(jù)實(shí)際電阻值與期望電阻值的偏離程度來應(yīng)用電壓脈沖，然后再衡量新的電阻水平。如果沒有達(dá)到期望電阻值，我們就用另一個(gè)電壓脈沖，然后再衡量一次--直到達(dá)到預(yù)期水平。”
盡管使用迭代進(jìn)程，最差情況下的寫入延遲也只有10微秒，性能比目前市場(chǎng)上最先進(jìn)的閃存也要快100倍。
為了可靠地讀取數(shù)據(jù)，科學(xué)家們必須解決電阻漂移問題。由于非結(jié)晶態(tài)下原子之間的結(jié)構(gòu)性松散，電阻值在相變后會(huì)隨著時(shí)間流逝而增加，最終導(dǎo)致讀取錯(cuò)誤。為了克服這個(gè)問題，IBM科學(xué)家利用一種高級(jí)調(diào)制編碼技術(shù)來克服內(nèi)在的漂移問題。這個(gè)調(diào)制編碼技術(shù)的原理是，平均而言，不同電阻水平的記憶體單元之間的相對(duì)順序不會(huì)因?yàn)槠贫l(fā)生改變。
通過這種技術(shù)，IBM科學(xué)家們可以緩解漂移問題。他們的PCM測(cè)試芯片上組合了20萬個(gè)記憶體單元，采用90納米CMOS制程，可以長(zhǎng)期保留數(shù)據(jù)。PCM測(cè)試芯片的設(shè)計(jì)和制造集合了各地科學(xué)家的努力，包括Burlington、佛蒙特、Yorktown Heights、紐約和蘇黎世的科學(xué)家。科學(xué)家們測(cè)試了五個(gè)月時(shí)間的數(shù)據(jù)保留效果。結(jié)果顯示多比特PCM的可靠性符合實(shí)用水平。
IBM Research蘇黎世部門的PCM研究項(xiàng)目將繼續(xù)在最近開張的Binnig and Rohrer Nanotechnology Center納米技術(shù)研發(fā)中心進(jìn)行。該中心是IBM和蘇黎世ETH合作運(yùn)營(yíng)的。IBM和ETH在納米科學(xué)上有進(jìn)行合作。該中心有先進(jìn)的設(shè)備，包括針對(duì)納米制造的大型清洗室，以及6個(gè)“無噪音”實(shí)驗(yàn)室，尤其是針對(duì)高敏感性試驗(yàn)的封閉式實(shí)驗(yàn)室。
記憶體技術(shù)的發(fā)展歷史
IBM是計(jì)算機(jī)記憶體技術(shù)發(fā)展的先驅(qū)。1966年，IBM的Robert Dennard博士發(fā)明了動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取記憶體（DRAM）。DRAM的發(fā)明，加上低成本微處理器的使用，為小型個(gè)人電腦的發(fā)展敞開了大門。如今，每臺(tái)個(gè)人電腦、筆記本電腦、掌上游戲機(jī)和其他計(jì)算設(shè)備都有搭載DRAM芯片。DRAM同時(shí)還應(yīng)用于大型機(jī)、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和運(yùn)行互聯(lián)網(wǎng)的大部分機(jī)器。1988年，Dennard博士因?yàn)镈RAM的發(fā)明而獲得美國國家技術(shù)獎(jiǎng)?wù)拢║S National Medal of Technology）。在IBM今年的百年紀(jì)念中，IBM將DRAM列為最偉大的100項(xiàng)創(chuàng)新之一。
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