PCM記憶體技術與應用領域分析

SnD和XiP系統架構比較。Numonyx

前言：相變化記憶體(Phase Change Memory，PCM)是近年來記憶體業界熱門研發主題，熱門的原因是PCM潛力相當被看好，根據ITRS預測，PCM的Cell尺寸預計於2011年將小於NOR Flash，因此未來可望大規模取代NOR Flash市場，故未來市場潛力較FeRAM和MRAM為大。

相變記憶體(PCM)技術之所以完整符合今天的電子系統對記憶體子系統的需求，由以下幾個記憶體重要參數的需求變化即可以看出：
1、容量：因為消費電子、電腦、通訊三合一的應用趨勢，所有電子系統的編碼量都呈指數型成長，資料增長速率甚至更快。 
2、頻寬和功耗：在應用高度融合的電子系統中，一般採用頻寬衡量系統效能以加快上網速度；並降低功耗以增強產品的移動性。記憶體設計必須支援市場對擴大頻寬和降低功耗的日益增長的需求。非揮發性固態記憶體(nonvolatile solid state memory)是降低功耗的最佳方法。
3、記憶體系統效能：為提高電子系統的總體效能，設計人員越來越關注記憶體系統的容量、製程、效能、封裝和介面等參數。
4、暫存或緩衝記憶體(caching)：「記憶體系統」概念是依據最終設備的頻寬需求而非製程為記憶體分區 (partitioning)，暫存或緩衝記憶體功能可以克服記憶體製程上存在的設計難題，並且降低產品的成本、提升系統效能，配合不同的記憶體技術。

應用程式越來越需要高頻寬記憶體

記憶體頻寬的需求越來越高，在應用層面上，主要可分三大消耗頻寬的類別：編碼(Code)、資料傳輸(Data streaming)和資料儲存(Data storage)。

1、編碼：讀取速度是決定編碼執行效能的主要因素。當採用下文敘述的模式之一時，編碼執行效能取決於執行速度。A、晶片內執行 (Execution in place, XIP)：採用NOR快閃記憶體，需要大頻寬，隨機讀取速度快。B、儲存和下載(Storage and Download, S&D)：結合NAND及DRAM記憶體。在容量大於1Gb的編碼儲存應用中，S&D是廣泛採用的方法。
2、資料傳輸：影響資料傳輸效能的主要因素是寫入速度。資料傳輸一般採用DRAM技術，但傳輸容量大於4GB的資料則可結合NAND與 DRAM的方法，主要用以提高容量和降低功耗。
3、資料儲存：影響資料儲存效能的主要因素是容量和資料保存年限。然而，由於記憶體容量呈指數型成長，不同的系統元件之間的延時可能會對記憶體子系統的效能構成很大的影響。容量在100GB以下或對效能有很高的要求時，一般採用NAND快閃記憶體儲存資料。

正因為現今記憶體的限制，因此各種新記憶體技術不段被研發出，請參閱表1。本文對於PCM的技術，將進一步深入探討。

PCM的擴充能力

硫屬(chalcogenide,此指PCM)薄膜至少在三個方面的應用證明，能夠把PCM儲存單元至少擴充到5奈米節點。PCM擴充面臨的主要挑戰是開關元件的擴充。由於近期對於材料狀態控制方法的研究和改進，PCM耐讀寫能力和寫入速度預計也會有大幅提升。隨著製程向最先進的微影技術(lithography)進軍，PCM的每位元成本和寫入效能可望取得巨大進步，因為儲存單元在這些技術節點可以變得更小。

PCM在嵌入式系統

在嵌入式系統中，PCM通常用於儲存編碼。對儲存容量要求較低的系統，容量通常小於大約2Gb，在設計上直接從NOR快閃記憶體執行編碼。在嵌入式系統中，這種記憶體通常還用於保存系統檔。這類系統通常使用DRAM作為暫存記憶體(scrtchpad memory)。在這類系統中，PCM可用作編碼執行記憶體，因為是一個位元可修改(bit-alterable)的記憶體，PCM能夠替代系統所需的部份或全部的DRAM。

在S&D記憶體系統中，PCM可以降低對DRAM的容量要求，同時滿足對NAND的容量需求。同時，在這類系統中使用PCM記憶體可以簡化被保存在同一記憶體中的檔案系統(file system)，並提高檔案系統效能。

PCM在無線通訊系統

憑藉極短的讀取延時及快速覆蓋功能，PCM是一個理想的非揮發性記憶體XIP解決方案，適用於低到高容量的各種應用。PCM儘管讀取延時比DRAM長，但是儲存頁比較小，讀取延時還是屬於DRAM級別，是極為優異的編碼執行記憶體。除經常被操作的資料結構外，PCM可作為所有資料結構的主要讀取記憶體(read mostly memory)。PCM的位元可修改功能省去了對區塊抹除的需求，同時還進一步降低了對DRAM的需求，從而降低了儲存子系統的成本。PCM可望成為總體成本最低的可擴展的記憶體子系統解決方案，同時還能滿足市場日益升高的對高端多媒體無線設備效能的需求。

PCM在固態儲存子系統(solid state storage subsystems)

NAND本身具備的區塊可修正(block alterable)特性，使得在固態儲存子系統中管理NAND成為一大挑戰。當進行大量的擦寫操作或頻繁的讀取時，滿足對錯誤管理機制的需求也是另一項挑戰。

PCM可以在固態儲存系統內保存處理器經常使用的頁面，以及那些在晶片上操作時更易於管理的元件，包括NAND儲存資料所需的同位位元(parity bits)、損壞區塊表(bad block table)、區塊分頁對照表(block and page mapping table)等。在這種情況下，使用PCM可提升NAND的可管理性。通過最小化NAND快閃記憶體受到的應力，在儲存子系統中可以實現容量更高的MLC NAND快閃記憶體，利用PCM的功能降低NAND的成本。這種用PCM快取的解決方案將會提升儲存子系統的效能和可靠度。

此外，當被抹除的頁面分散在多個區塊中(接近寫滿狀態) 時，PCM可以進一步提高儲存子系統的可靠度。管理接近寫滿狀態的區塊可抹除記憶體(block alterable memory)，需要完成多個抹除循環(erase cycle)，才能釋放空間以將新資料寫入裝置，而這會提高裝置的擦寫次數，縮短記憶體的使用壽命，直到達到最大擦寫次數為止。PCM的位元可修正特性可解決當記憶體寫滿時寫入次數增加的問題，更高的PCM讀寫次數可滿足系統超量使用時的需求。

PCM在運算平臺

作為揮發性記憶體，DRAM需要大量的電能(W/GB)以儲存內容。而非揮發性記憶體PCM在不需要所儲存的內容時，只要關閉電源即可降低待機功耗，並關鍵性地切斷了容量與功耗之間的聯繫。意即PCM記憶體子系統容量極限並不受系統的功率限制。除了非揮發的特性外，PCM還提供了對這種應用極具吸引力的耐讀寫能力和寫入延時，與目前主要讀取記憶體方案相比，耐讀寫能力和寫入延時是 PCM的一大優點。

結論

PCM是極具發展性的跨時代記憶體技術，其對於其他記憶體的高度取代性可以加快PCM的市場滲透度。此外，PCM可用於記憶體系統，以及消費電子、電腦、通訊三合一的應用設備。本文探討了PCM在部份不同儲存系統的應用。為現有記憶體技術提供快取功能，降低系統總體成本和系統複雜性，預計將是主要的PCM使用動機。在編碼和資料傳輸應用中，頻寬將推動PCM可持續發展，而低功耗則是這項技術的另一個增值特性。(本文作者Sean Eilert是恆憶技術長辦公室架構總監)