PhaseChangeMemory（PCM）调研报告

Phase Change Memory(PCM)调研
相变存储器(Phase Change Memory)或相变化存储器，一个非挥发性计算机存储器，也被称为PRAM、PCM 和PCRAM，是一种新颖且前景看好的技术。

PRAM 使用具有独特行为的硫化玻璃，当给予特定应用的热能，可以使它在结晶和无定形两个状态之间切换。

最近的技术可以再增加两个不同的状态,使存储容量加倍。

1．P CM历史
相变化存储器是用相变化材料制作的，相变化材料也即硫族化合物。

PCM的研究，早在1970年代就有开始研究，限于工艺水平，当时未能获得实际应用，2000年以前相变化材料也主要用于光碟片。

2000年后，用相变化材料制作的PCM 无论是在专利布局、晶片试产还是学术论文上都开始有优异表现，现正进入商品化阶段。

2．P CM原理
相较于现有主流内存技术依赖电荷的方式存储的易失性，PCM的原理是通过硫族化合物（恒忆采用的是GST材质）透过加热与降温在晶体与非晶体间转换的方式作为写入，并通过测量GST的电阻进行读取，在无电状态下依旧可维持内容；用高稳定性的非晶态表示0 ，而用低稳定性的晶体态记录1。

非结晶态是高阻抗状态，>1MOhm；结晶态是低阻抗态，<1kOhm。

由于记录方式是单纯的物理变化，结合NAND与NOR闪存以及其他内存的多项优点，且寿命为100万次写入，比一般的内存寿命约10万次更高，有更高的产品寿命。

根据恒忆的数据，以机顶盒设计为例，PCM可整合EEPROM与闪存的功能，简化线路设计。

此外，PCM在写入的程序不需经过数据抹除程序，课直接对数据进行写入，因此比NOR Flash有更快的写入速度（前提是必须在系统程序上跳过抹除动作）。

3．P CM材料特性
PCM的材料基础是硫系玻璃，其特点是具有两态，晶体态为1，非晶体态
为0。

这种材料早在CD-RW制造上已被应用，只不过那时是应用其反射特性：不同态的折射率不同。

用硫系玻璃制造PCM则是利用其导电特性。

主要的硫化材料有两元素组成的（如GaSb），三元素组成的（如GeSbTe），和四元素组成的（如GeSbSeTe）。

恒忆用的是三元素的GeSbTe，掺杂Ge：Sb：Te=2:2:5（GST），高于600度（结晶温度）低于溶化为度时为低稳定性的结晶状态，代表1；低于此温度为高稳定性的非结晶状态，表示0。

态式转化所需时间取决于当前材料温度，一般来说，100ns之内可以完成结晶化过程。

相比之下，DRAM转化时间为2ns，但Samsung 在2006年指出，PCM最快转化时间可达5ns。

Intel和ST Microelectronics的领先研究使材料的状态可以被更精确地控制，能够被转化为四种状态，每个单元可以存储2bit的信息，提高了存储密度。

4．与Flash比较PCM优点
PCM最吸引人的是他的切换时间和固有的可扩展性，而温度敏感性则是它的最严重的缺陷，这在产品化过程中需要改变。

1）寿命长，可承受100万次写操作，而flash只能承受10万次（wear leveling 下课延迟flash寿命）；
2）速度极快，flash设备写速度在1ms左右（一个block），大量时间用于充电过程，相比之下，PCM要快100000倍（10ns per byte），存储单元切换
快，写单元之前不需要擦除整个快，尤其适用于要求写操作极快的场合；
3）存储稳定，PCM可经受紫外线照射，一般来说工作在85摄氏度的PCM 可以稳定保留数据长达300年。

最近的发展，使可以更精确的控制PCM
材料的状态，从两个可测状态变为四个，使一个unit可以存储2bit，提
高存储密度。

5．P CM应用前景
PCM速度快（和DRAM相差不多），可以用在计算机存储架构上，内存变为持久存储，这回影响整个计算机体系结构，导致很多新idea的诞生（节能、快速migration等。

光存储上，如CD，DVD等。

6．P CM厂家及产品化
1）台湾工程院电光所整合力晶、南亚、华邦、茂德四家业者于2006年组成PCM联盟
2）Intel在2008年2月首先开始提供商业的PCM原型产品：Alverstone；
3）2010四月，恒忆宣布128M的可替代NOR的PCM；
4）2010四月三星发布512M PCM with 65 nm process
5）恒忆半导体（NUMONYX）2010年5月发表第二代90nm相变化内存产品；
6）三星2010年6月推出针对手机市场的30nm工艺的PCM产品
7）美光。

同为相变存储器巨头的美光今年年初以12.7亿美元价格收购恒忆（Numonyx）。

目前，PCM产品主要是恒忆的针对嵌入式市场开发的128M PCM和三星的512M针对手机的PCM。

7．P CM需应对的问题
1）最严峻的挑战是PCM活动卷需要高编程密度（>107 A/cm²，典型的晶体管或二极管是105-106 A/cm²）。

2）热相变区和临近的绝缘区的联系是PCM的另一个基本关注点。

绝缘区可能在高温下因为相变材料膨胀的不同速度而泄露或是失去粘性。

3）PCM对主动地和被动的相变是要敏感的。

相变是一个热过程，而不是一个电过程。

快速晶体化的热条件不应该太接近常规条件，如室温，否则数据记忆就不能长久。

这样，有一个合适的晶体化激活能，PCM就有可能在编程环境下快速晶体化，而在一般环境下则非常慢得晶体化。

4）PCM的最大的挑战可能是他的长久保持性和门限电压漂移。

非晶体态稳定性会缓慢增加。

这严重限制了多层操作的能力（一个低的中间态可能会和高的中间态混淆）和甚至危害标准的两个状态的操作如果门限电压超过了设计值。

2010年4月恒忆发布128M的PCM NOR-Flash替代芯片。

他们试图替代
的NOR芯片工作在-40-85 °C范围内，而PCM芯片则工作在一个更小的0-70°C 的工作窗口范围内。

这很可能是由于它提供编程需求的高温度敏感的P-N结所导致的。

8．总结
相变存储器PCM是用相变化材料（硫化玻璃）制作的新型，具有巨大发展前景的存储技术。

利用相变化材料的相变存储信息，稳定的非结晶态表示数据0，相对不稳定的结晶态表示数据1；相态间的变化作为写入，相态阻值的测定表示读取；非结晶态具有高阻抗，记为0，结晶态具有低阻抗，记为1。

PCM存储器具有非常快的写入速度，不需要像flash那样写入前做块擦除操作；存储器件使用寿命长，而且数据稳定性好；但目前限于技术水平，仍有一些问题需要解决，如PCM的温度敏感性，目前还处在商品化初期，主要生产研发厂家是美光（恒忆），Samsung，和Intel。

根据预测，PCM极有可能替代NOR Flash成为主流存储器，并取代DRAM被应用于计算机存储系统，从而因其非易失性等特性而改变计算机系统结构等领域。