固態存儲的再進化

劉春霖

摘?要分析各種有可能替代NAND存儲的新技術，對PCRAM STTRAM RRAM MRAM等新存儲技術的原理做簡單介紹。

關鍵詞固態存儲；內存；RAM

中圖分類號TP文獻標識碼A文章編號1673-9671-(2011)071-0107-01

長久以來，傳統的溫徹斯特式機械硬盤一直是計算機系統內速度的最大瓶頸。SSD固態硬盤的出現彌補了機械硬盤的速度慢的最大劣勢。但現在的基于NAND閃存的固態硬盤仍存在寫入壽命有限，故障率偏高，價格過高等各種缺點。本文就幾種可能替代先有固態存儲技術的新存儲方式做一介紹。

1相變記憶體（PCRAM）

相變存儲技術的原理很簡單，就是利用改變金屬記憶體的內部晶格形態來記錄數據。當然，想要使用相變存儲技術可沒有上面說著這么簡單。如果只是上嘴皮碰下嘴皮就能實現一種跨世紀的存儲技術，那么生活就是在太完美了。想要實現相變存儲技術，首先必須要找到一種可以穩定而且沒有公害的存儲介質，在高溫下存儲介質的晶格會發生變化，而在低溫的情況下，記錄體的晶格會重新固定，但這種改變僅限于內部晶格改變，而不是存儲介質本身的物理形態發生改變。

對存儲介質的要求并不只有這些，存儲介質的晶格結構必須相對穩定，在常溫下和外力作用下不會發生太大的變化才行。在穩定的狀態下，存儲介質的晶格狀態與受熱發生變化的臨界點相差不大，以保證在比較低的功耗下就可以完成晶體狀態的改變。想要讓記憶體回到最早的記憶形態，必須保證外力加熱達到的熱量在記憶體晶格的變形溫度和融化溫度之間才行，否則容易造成數據丟失。

比較常見的相變記憶體材料是硫化物和一些帶有輻射的金屬材料，但由于環境因素的影響并不能使用在相變存儲技術環境中。目前硫族金屬化合物（Ge鍺、Sb銻、Te碲）的相變化薄膜材料最為常見。最早開始使用相變記錄設備的是我們比較熟悉的光存儲，這些設備開始使用能產生固定溫度的激光束，由于波長固定，所以只需要控制入射角度就可以保證光束的變化可以融化晶體硫化物的記憶晶格。

PCRAM擁有高性能和低能耗的特性，能夠在一個芯片上結合NOR、NAND和RAM的最佳特質。這些特質包括：比特可變性、非易失性、高讀取速度、高寫入/擦除速度以及良好的可擴展性。

2自旋極化內存技術（spin transfer torque random access memory （STTRAM））

STTRAM技術則基于電子自旋理論，利用改變自旋偏振電流的方法改變磁場方向，以此達到記錄數據的目地。STTRAM技術在省電性能方面比PCRAM相變內存技術更為優越，不過目前這種技術每個存儲單元只能儲存單個bit，如果能夠突破這種限制的話，那么預計未來十年內很有可能成為磁盤式硬盤技術的有力競爭對手。

3電阻式內存（resistive random access memories，RRAM）

RRAM是使用強相關（Strongly Correlated）電子類的材料（如NiO、PCRAMO等），這類型的材料具備CER（Colossal Electroresistance）的特質效應，即是對材料施壓電壓脈沖后，材料的電阻阻值會發生劇烈改變，使材料成為高阻值；反之，若從另一個方向施加電壓脈沖則會使材料轉變成低阻值，運用阻值高、低的兩種狀態來儲存資料。

由此可知，RRAM是運用特有材料的效應來實現儲存，不過目前研究人員尚未全面了解效應產生的個中原因，只知效應的存在，并可做為儲存記憶。除了RRAM之名外，使用相同材料與效應的研究還有Infineon的CBRAM及Samsung的OxRRAM，本質上也是RRAM，皆運用CER效應，但使用的材料則各有不同，如OxRRAM使用NiO，Spansion研發的RRAM則使用CuO2。值得注意的是，同樣是材料及效應，但結構上還有1R1T與1R1D之別，其中1R1D的尺寸只有1R1T的2/3，可以使記憶密度更提升。在運用表現上，RRAM的存取速度與SRAM相近，且斷電后資料仍可留存，記憶格密度上接近于NAND型Flash，讀取時為非破壞性讀取，可寫入次數超過10的13次方次。

4磁電阻存儲器（Magnetoresistive RAM）

MRAM全稱為Magnetoresistive RAM，中文為磁電阻存儲器，若說PCRAM是運用與可重復燒寫光盤相同的材料及特性來記憶，則MRAM則是運用與硬盤相同的磁性材料與硬盤讀寫頭相同的巨磁效應（Giant magnetoresistance；GMR）特性來記憶。MRAM是透過電流流向的改變來改變磁性材料的磁性偏轉，當偏轉都朝一致方向時則視為1，反之若無一致方向則為0，磁向一致則偵測電流容易通過，反之則不容易通過，即是透過磁阻性來控制電阻性，以電阻性的高低來判別記憶內容是0還是1。

MRAM在記憶及存取特性的表現上，其讀寫速率快速，可寫入次數極高（超過10的12次方次），資料保存也極耐久，且寫入前不需要抹除，讀取后也不用刷新，不過MRAM存取操作時較為耗電，每個記憶格的尺寸也較大，這些是其弱點。

5總結

以上新型存儲器的類型很多，但歸納而言還是有多項共性，主要表現在以下幾點：1）存取速度快；2）斷電之后資料不丟失；3）存取功耗低；4）因為NAND閃存寫入慢、讀取快，讀與寫的速度要對稱一致；5）寫入前不需要重新抹除，因為抹除耗電且拖延存取速度；6）不需要刷新，刷新容易阻礙性能；7）可寫入次數盡可能高；8）資料保存年限盡可能久。

以上新興存儲器幾乎都做到高速存取與斷電后資料續存，因此即便新興存儲器都稱為RAM但卻都具備ROM的非揮發特質。雖然以上新存儲器但短時間內還只能停留在實驗室之內，但假以時日，必然會有新技術替代先有的閃存式固態硬盤，成為新一代主流高性能存儲技術。

參考文獻

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