固态存储的再进化

刘春霖

摘 要分析各种有可能替代NAND存储的新技术，对PCRAM STTRAM RRAM MRAM等新存储技术的原理做简单介绍。

关键词固态存储；内存；RAM

中图分类号TP文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)071-0107-01

长久以来，传统的温彻斯特式机械硬盘一直是计算机系统内速度的最大瓶颈。SSD固态硬盘的出现弥补了机械硬盘的速度慢的最大劣势。但现在的基于NAND闪存的固态硬盘仍存在写入寿命有限，故障率偏高，价格过高等各种缺点。本文就几种可能替代先有固态存储技术的新存储方式做一介绍。

1相变记忆体（PCRAM）

相变存储技术的原理很简单，就是利用改变金属记忆体的内部晶格形态来记录数据。当然，想要使用相变存储技术可没有上面说着这么简单。如果只是上嘴皮碰下嘴皮就能实现一种跨世纪的存储技术，那么生活就是在太完美了。想要实现相变存储技术，首先必须要找到一种可以稳定而且没有公害的存储介质，在高温下存储介质的晶格会发生变化，而在低温的情况下，记录体的晶格会重新固定，但这种改变仅限于内部晶格改变，而不是存储介质本身的物理形态发生改变。

对存储介质的要求并不只有这些，存储介质的晶格结构必须相对稳定，在常温下和外力作用下不会发生太大的变化才行。在稳定的状态下，存储介质的晶格状态与受热发生变化的临界点相差不大，以保证在比较低的功耗下就可以完成晶体状态的改变。想要让记忆体回到最早的记忆形态，必须保证外力加热达到的热量在记忆体晶格的变形温度和融化温度之间才行，否则容易造成数据丢失。

比较常见的相变记忆体材料是硫化物和一些带有辐射的金属材料，但由于环境因素的影响并不能使用在相变存储技术环境中。目前硫族金属化合物（Ge锗、Sb锑、Te碲）的相变化薄膜材料最为常见。最早开始使用相变记录设备的是我们比较熟悉的光存储，这些设备开始使用能产生固定温度的激光束，由于波长固定，所以只需要控制入射角度就可以保证光束的变化可以融化晶体硫化物的记忆晶格。

PCRAM拥有高性能和低能耗的特性，能够在一个芯片上结合NOR、NAND和RAM的最佳特质。这些特质包括：比特可变性、非易失性、高读取速度、高写入/擦除速度以及良好的可扩展性。

2自旋极化内存技术（spin transfer torque random access memory （STTRAM））

STTRAM技术则基于电子自旋理论，利用改变自旋偏振电流的方法改变磁场方向，以此达到记录数据的目地。STTRAM技术在省电性能方面比PCRAM相变内存技术更为优越，不过目前这种技术每个存储单元只能储存单个bit，如果能够突破这种限制的话，那么预计未来十年內很有可能成为磁盘式硬盘技术的有力竞争对手。

3电阻式内存（resistive random access memories，RRAM）

RRAM是使用强相关（Strongly Correlated）电子类的材料（如NiO、PCRAMO等），这类型的材料具备CER（Colossal Electroresistance）的特质效应，即是对材料施压电压脉冲后，材料的电阻阻值会发生剧烈改变，使材料成为高阻值；反之，若从另一个方向施加电压脉冲则会使材料转变成低阻值，运用阻值高、低的两种状态来储存资料。

由此可知，RRAM是运用特有材料的效应来实现储存，不过目前研究人员尚未全面了解效应产生的个中原因，只知效应的存在，并可做为储存记忆。除了RRAM之名外，使用相同材料与效应的研究还有Infineon的CBRAM及Samsung的OxRRAM，本质上也是RRAM，皆运用CER效应，但使用的材料则各有不同，如OxRRAM使用NiO，Spansion研发的RRAM则使用CuO2。值得注意的是，同样是材料及效应，但结构上还有1R1T与1R1D之别，其中1R1D的尺寸只有1R1T的2/3，可以使记忆密度更提升。在运用表现上，RRAM的存取速度与SRAM相近，且断电后资料仍可留存，记忆格密度上接近于NAND型Flash，读取时为非破坏性读取，可写入次数超过10的13次方次。

4磁电阻存储器（Magnetoresistive RAM）

MRAM全称为Magnetoresistive RAM，中文为磁电阻存储器，若说PCRAM是运用与可重复烧写光盘相同的材料及特性来记忆，则MRAM则是运用与硬盘相同的磁性材料与硬盘读写头相同的巨磁效应（Giant magnetoresistance；GMR）特性来记忆。MRAM是透过电流流向的改变来改变磁性材料的磁性偏转，当偏转都朝一致方向时则视为1，反之若无一致方向则为0，磁向一致则侦测电流容易通过，反之则不容易通过，即是透过磁阻性来控制电阻性，以电阻性的高低来判别记忆内容是0还是1。

MRAM在记忆及存取特性的表现上，其读写速率快速，可写入次数极高（超过10的12次方次），资料保存也极耐久，且写入前不需要抹除，读取后也不用刷新，不过MRAM存取操作时较为耗电，每个记忆格的尺寸也较大，这些是其弱点。

5总结

以上新型存储器的类型很多，但归纳而言还是有多项共性，主要表现在以下几点：1）存取速度快；2）断电之后资料不丢失；3）存取功耗低；4）因为NAND闪存写入慢、读取快，读与写的速度要对称一致；5）写入前不需要重新抹除，因为抹除耗电且拖延存取速度；6）不需要刷新，刷新容易阻碍性能；7）可写入次数尽可能高；8）资料保存年限尽可能久。

以上新兴存储器几乎都做到高速存取与断电后资料续存，因此即便新兴存储器都称为RAM但却都具备ROM的非挥发特质。虽然以上新存储器但短时间内还只能停留在实验室之内，但假以时日，必然会有新技术替代先有的闪存式固态硬盘，成为新一代主流高性能存储技术。

参考文献

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