[科普中国]-相变存储器

相变存储器，简称PCM，相变存储器就是利用特殊材料在晶态和非晶态之间相互转化时所表现出来的导电性差异来存储数据的。相变存储器通常是利用硫族化合物在晶态和非晶态巨大的导电性差异来存储数据的一种信息存储装置。

2015年，《自然·光子学》杂志公布了世界上第一个或可长期存储数据且完全基于光的相变存储器。

发展背景近年来，非易失性存储技术在许多方面都取得了一些重大的进展，为计算机系统的存储能效提升带来了新的契机，研究者们建议采用新型NVM技术来替代传统的存储技术，以适应计算机技术发展对高存储能效的需求。以相变存储器为代表的多种新型NVM技术因具备高集成度、低功耗等特点而受到国内外研究者的广泛关注。特别地，PCRAM因其具备非易失性、可字节寻址等特性而同时具备作为主存和外存的潜力，在其影响下，主存和外存之间的界限也正在逐渐变得模糊，甚至有可能对未来的存储体系结构带来重大的变革。因此，它被认为是极具发展前景、最有可能完全替代DRAM的新型NVM技术之一。1

发展历史二十世纪五十年代至六十年代，Dr. Stanford Ovshinsky开始研究无定形物质的性质。无定形物质是一类没有表现出确定、有序的结晶结构的物质。1968年，他发现某些玻璃在变相时存在可逆的电阻系数变化。1969年，他又发现激光在光学存储介质中的反射率会发生响应的变化。1970年，他与他的妻子Dr. Iris Ovshinsky共同建立的能量转换装置（ECD）公司，发布了他们与Intel的Gordon Moore合作的结果。1970年9月28日在Electronics发布的这一篇文章描述了世界上第一个256位半导体相变存储器。

2011年8月31日，中国首次完成第一批基于相变存储器的产品芯片。

2015年，《自然·光子学》杂志布了世界上第一个或可长期存储数据且完全基于光的相变存储器。

结构特征PCM器件的典型结构由顶部电极、晶态GST、α/晶态GST[、热绝缘体、电阻（加热器）、底部电极组成。

工作原理相变存储器（PCM）是一种非易失存储设备，它利用材料的可逆转的相变来存储信息。同一物质可以在诸如固体、液体、气体、冷凝物和等离子体等状态下存在，这些状态都称为相。相变存储器便是利用特殊材料在不同相间的电阻差异进行工作的。

在非晶态下，GST材料具有短距离的原子能级和较低的自由电子密度，使得其具有较高的电阻率。由于这种状态通常出现在RESET操作之后，一般称其为RESET状态，在RESET操作中DUT的温度上升到略高于熔点温度，然后突然对GST淬火将其冷却。冷却的速度对于非晶层的形成至关重要。非晶层的电阻通常可超过1兆欧。

在晶态下，GST材料具有长距离的原子能级和较高的自由电子密度，从而具有较低的电阻率。由于这种状态通常出现在SET操作之后，我们一般称其为SET状态，在SET操作中，材料的温度上升高于再结晶温度但是低于熔点温度，然后缓慢冷却使得晶粒形成整层。晶态的电阻范围通常从1千欧到10千欧。晶态是一种低能态；因此，当对非晶态下的材料加热，温度接近结晶温度时，它就会自然地转变为晶态。

典型的GST PCM器件结构顶部电极、晶态GST、α/晶态GST、热绝缘体、电阻（加热器）、底部电极组成。一个电阻连接在GST层的下方。加热/熔化过程只影响该电阻顶端周围的一小片区域。擦除/RESET脉冲施加高电阻即逻辑0，在器件上形成一片非晶层区域。擦除/RESET脉冲比写/SET脉冲要高、窄和陡峭。SET脉冲用于置逻辑1，使非晶层再结晶回到结晶态。

应用相变存储器材料具有存取速度快和可靠性高等优点,有比其他存储器更广阔的应用空间和更好的发展趋势，有望替代目前被公众熟知的传统存储技术，如应用于U盘的可断电存储的闪存技术，又如应用于电脑内存的不断电存储的DRAM技术等等。虽然人们渐渐的认识到了新存储技术的优越性，但如何将其应用在实际中却各有差异。

从目前的研究可以看出相变存储器主要可以用来替代计算机主存、硬盘和闪存：

①相变存储器访问相应时间短，并且具有字节可寻址特性，其写延迟约为DRAM的10倍，使他在设计参考中固件代码的直接执行上显现出优势，并广泛研究用来作为DRAM的替代品，传统使用的DRAM的方法是在计算机断电后主存的数据全部丢失，计算机重启需要重新从外存读取操作系统数据，消耗较多时间，之前部分研究者采用将NOR闪存作为主存，可以解决计算机掉电数据丢失问题，但是闪存有擦写次数有限，随机写性能较差，写延迟较大等的缺点，而采用相变存储器或者基于相变存储器的异构主存方法可以更好地解决上述问题；

②相变存储器的随机读写性能能够有效地解决大规模科学计算中小粒度随机I/O对磁盘访问所造成的I/O瓶颈，用相变存储器代替传统的硬盘具有很大的优势；

③闪存和相变存储器都是新型非易失性存储器，没有机械装置并且可随机读写，但是和相变存储器相比，闪存的读写性能略显不足，特别是写入前需要整块擦除的缺陷，导致闪存只能通过一系列更加复杂的技术化才能替代存储系统的部分功能。

相变存储器还有其他很多方面的应用，适用于固线和无线通信设备、消费电子、PC和其他嵌入式应用设备：比如应用在航天器领域中的嵌入系统中、用在智能电表中可以对其储存构架进行进一步整合等。另外，根据相变存储器存在的一些不足，在提高存储密度、降低成本和提高耐写能力方面需要进一步的研究，才能更好的推动相变存储器的应用与发展。2

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学