相变存储器介绍
电脑存储器类型
电脑存储器类型电脑是现代社会不可或缺的一部分，而存储器作为电脑的重要组成部分，在电脑的运行中起着至关重要的作用。
电脑存储器类型多种多样，各具特点，本篇文章将就其中一些常见的存储器类型进行探讨。
首先，我们来看看随着技术的不断进步，计算机存储器也得到了巨大的发展。
最初，计算机使用的存储器是电子管存储器。
电子管存储器通过电子管的导电和断开状态来存储数据。
然而，这种存储器无法满足人们对存储容量的需求，同时也存在着容易损坏的问题。
接着，随着计算机存储技术的发展，磁芯存储器逐渐被引入。
磁芯存储器由大量的磁芯组成，每个磁芯可以存储一个二进制位信息。
与电子管存储器相比，磁芯存储器具有容量大、稳定性高等优点。
然而，由于成本较高，磁芯存储器仅被应用于大型计算机和军事领域。
而在20世纪60年代，我们迎来了半导体存储器的出现，其中最有代表性的就是动态随机存储器(DRAM)和静态随机存储器(SRAM)。
DRAM常用于个人电脑和手机等消费电子产品中，它由一个电容和一个晶体管组成，能够存储每个位上的数据。
由于DRAM的单个电容充放电需要不断的刷新，所以相对而言其速度较慢。
SRAM则由一组触发器组成，每个触发器能够存储一个位的数据，具有读写速度快、功耗低等特点。
随着数据存储需求的不断增长，传统的存储器已经不能满足人们的需求。
为了解决这个问题，人们开始研发与创新新的存储器技术。
其中，固态硬盘(SSD)是最为常见的一种新型存储器。
与传统的机械硬盘不同，SSD采用了闪存芯片而非旋转磁盘，具有体积小、读写速度快、低功耗等特点。
SSD的问世解决了机械硬盘在读写速度上的瓶颈问题，大大提高了系统的响应速度。
除了SSD，还有一种备受关注的存储器技术是三维立体非易失性存储器(3D NAND)。
与传统的存储器不同，3D NAND通过多层交错叠放的方式来增加存储容量，实现了更大的容量和更小的尺寸。
这种存储器技术具有高速度、低功耗、高可靠性等优点，被广泛应用于移动设备和高性能计算。
基于相变存储器的存储技术研究综述
第 ３ ８卷
第５ 期
计
算
机
学
报
Ｖｏ １ ．３ ８ ＮＯ ．５
Ｍａ ｙ ２ ０１ ５
２ ０ １ ５年 ５月
ＣＨＩ ＮＥＳ Ｅ Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ０Ｆ ＣＯＭ Ｐ ＵＴＥＲＳ
基 于 相 变 存 储 器 的 存 储 技 术 研 究 综 述
Байду номын сангаас
ｓ ｔ ｏ ｒ ａ ｇ ｅ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ．Ｔｒ ａ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｍｅ ｍｏ ｒ ｙ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｄｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ Ｒａ ｎ ｄ ｏ ｍ Ａｃ ｃ ｅ ｓ ｓ Ｍｅ ｍｏ ｒ ｙ（ ＤＲＡＭ ） ｆ ａ ｃ ｅ ｓ
失存 储 器 ， 它 为存 储 系统 的研 究 和设 计 提 供 了新 的解 决 方 案 ． 文 中 在 归 纳 相 变 存 储 器 器 件 发 展 和 研 究 现 状 的 基 础 上， 对 相 变 存 储 器 在 系统 级 的应 用 方 式 和 面 临 的 问 题 进 行 了 比较 和 分 析 ， 研 究 了基 于 相 变 存 储 器 的 内存 技 术 和外 存技术 ， 分 析 了 当前 在 Ｐ Ｃ Ｍ 的寿命 、 写性能 、 延迟 、 功 耗 等 方 面 所 提 出 的解 决 方 案 ， 指 出 了 现 有 方 案 的 优 势 和 面 临
（ Ｗｕ ｈ ａ ｎ Ｎａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｆ ｏ ｒ Ｏ ｐ ｔ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ ｜ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｏ ｍｐ ｕ ｔ ｅ ｒ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ， Ｈｕ ａ ｚ ｈ ｏ ｎ ｇ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ，Ｗｕ ｈ ａ ｎ ４ ３ ０ ０ ７ ４ ）
相变存储器
相变存储器（phase change memory）,简称PCM，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。
初次听到"相变"这个词,很多读者朋友会感到比较陌生.其实,相(phase)是物理化学上的一个概念,它指的是物体的化学性质完全相同,但是物理性质发生变化的不同状态.例如水有三种不同的状态,水蒸气(汽相)，液态水（液相）以及固态水（固相）。
物质从一种相变成另外一种相的过程叫做…相变‟例如水从液态转化为固态。
在很多物质中相变不是大家想象的只有气，液，固，三相那么简单。
例如我们这里介绍的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。
所以我们称之为相变存储器。
相变材料制作的相变内存无论是在专利布局、芯片试产及学术论文上开始有优异的表现，已开始商业应用，其cell size于201 1年将小于NOR Flash，未来可望大规模取代NOR Flash市场。
NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。
Int el于1988年首先开发出NOR flash技术，彻底改变了原先由EPRO M和EEPROM一统天下的局面。
紧接着，1989年，东芝公司发表了NAND flash结构，强调降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。
但是经过了十多年之后，仍然有相当多的硬件工程师分不清NOR和NAND闪存。
相“flash存储器”经常可以与相“NOR存储器”互换使用。
许多业内人士也搞不清楚NAND闪存技术相对于NOR技术的优越之处，因为大多数情况下闪存只是用来存储少量的代码，这时NOR闪存更适合一些。
而NAND则是高数据存储密度的理想解决方案。
NOR的特点是芯片内执行(XIP, eXecute In Place)，这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。
N OR的传输效率很高，在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。
相变存储器的原理和发展
相变存储器的原理和发展相变存储器，作为一种新型存储器，正在逐渐成为人们关注的热门话题。
相比于传统的存储器技术，相变存储器由于具有高密度、高可靠性、低功耗等特点，正在逐渐走向成熟。
在这篇文章中，我们将会探讨相变存储器的原理和发展。
一、相变存储器的原理相变存储器（Phase Change Memory，PCM）是一种通过将物质的状态从一个相转变到另一个相来实现存储和擦除信息的存储器。
它具有非易失性、快速读写、高密度、低功耗等优点，而且不会受到电磁干扰的影响。
相变存储器的基本原理是利用材料的相变来存储信息。
在相变存储器中，通过在材料中通入电流，可以将材料由非晶态（amorphous）转变为结晶态（crystalline），或者由结晶态转变为非晶态，从而实现信息的存储和擦除。
相变存储器由一个导电介质薄膜和一层相变材料薄膜组成。
当通入电流时，相变薄膜的温度会上升，从而引起相变。
相变后，材料的导电性和抗电性会发生明显变化，这种变化被采集和存储在导电介质薄膜中。
从而实现了信息的存储。
相变存储器的最大特点是它可以在非常短的时间内进行快速的写和读操作。
相变薄膜的相变速度很快，写入时间只需要几十纳秒，读取时间也只需要几纳秒。
同时，相变存储器还具有非常高的可靠性，因为相变材料可以进行无限次的相变。
二、相变存储器的发展相变存储器的历史可以追溯到上世纪60年代，但要真正进入实用化的阶段还有很长的路要走。
在过去的几十年中，相变存储器的研究一直处于实验室阶段。
直到近年来，随着存储技术的进一步发展，相变存储器才开始逐渐受到人们的关注。
在过去的几年中，相变存储器已经从实验室阶段进入了产品研发阶段。
英特尔公司已经推出了一款基于相变存储器的高速固态硬盘（SSD），号称可以提供比传统硬盘更快的读写速度和更高的可靠性。
同时，三星、东芝、半导体制造商Micron等公司也在积极推进相变存储器技术的研发。
相比于传统的NAND闪存存储器，相变存储器具有更高的存储密度和更快的访问速度。
相变存储器及其应用研究进展
相变存储器及其应用研究进展一、引言随着信息技术的快速发展，存储器作为计算机硬件的重要组成部分之一，越来越受到人们的关注。
相变存储器由于其存储密度高和功耗低等优点，成为了摆脱传统存储技术瓶颈的解决方案之一。
本文将从相变存储器技术的特点、应用、发展状况等方面进行讨论。
二、相变存储器的特点与原理相变存储器（Phase-change Memory，PCM）属于非易失性存储器。
相变存储器是利用相变物质（如GeSbTe、GeSbSe等）的物理性质，通过在相变物质中引入热脉冲或电脉冲，使相变物质从一种状态转变为另一种状态来实现存储的过程。
相变存储器的主要特点如下：1. 存储密度高。
相变存储器是一种三维存储结构，可以将多个存储单元集成在一个芯片中，从而实现更高的存储密度。
2. 速度快。
相变存储器读写速度可以达到纳秒级别，比传统的闪存存储器快很多。
3. 功耗低。
相变存储器的读写操作不需要外部电源，只需要少量电能激活相变物质即可，因此功耗非常低。
4. 非易失性。
相变存储器存储的数据具有非易失性，可以长期保存且不需要外部电源维持。
相变存储器的原理是通过在相变物质中施加电流或热脉冲，让相变物质的结构发生相变。
相变物质的电阻率随着结构状态的变化而变化，从而记录了数据。
相变材料的相变状态包括两种，一种是无序状态，另一种是有序状态。
在有序状态下，电阻率低，储存为0；在无序状态下，电阻率高，代表储存为1。
不同相变物质的相变状态转换温度不同。
通过控制施加电流或热脉冲的时间和强度，就可以实现相变存储器的读写操作。
三、相变存储器的应用研究进展相变存储器技术的应用潜力非常大，在计算机硬件领域具有广泛的应用前景。
下面将从相变存储器在计算机存储、人工智能和物联网等方面的应用以及相关技术的发展状况进行讨论。
1. 计算机存储相变存储器的高速读写和高存储密度等特点使其成为新一代计算机存储器的重要组成部分。
相变存储器不但可以替代传统磁盘驱动器、闪存盘等存储设备，还能够贡献于新型高速计算机的处理速度。
相变存储器
2.c
读取速度 擦写次数 读取方法
相变存储器基本性能
与FLASH同等水平 与FeRAM一样10-12 与MRAM一样非破坏性，
与其他存储器相比具有的性能优势
元件尺寸
耗电方面
约为MRAM或FeRAM的1／3
可以在2．5 V下工作
制造简单
多级存储
在CMOS工艺上增加2-4次
其他存储器不能实现
2.b
相变存储器结构
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，Ovshinsky发现某些玻璃在变相时存在可逆的电阻系数变化； ● 1969年，Ovshinsky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，Ovshinsky与他的妻子Dr. Iris Ovshinsky共同建立的能量转换装置
GST材料的特点
结晶速度快
优点 非晶态和晶态的光性能和电性
能差别大 最广泛的相变 存储器材料 需提高性能
晶态电阻率和结晶温度低
缺点
热稳定性差
改进GST性能手段—掺杂
不同的元素掺杂后形成不同的化学键性质及结 构形式，决定了掺杂GST的性能差异，也会导致热 传导机理的不同。其中非金属N掺杂由于倾向于与 Ge、Sb或Te形成共价键，能够提高GST的晶态电 抗性及热稳定性；而金属Sn掺杂由于取代了部分 Ge形成了SnTe-Sb2Te3结构，大大加快了再结晶 速度，都被认为是很有前途的掺杂元素。
1 0
2.a
高阻与低阻：
工作原理
对于固定结构的相变存储器，其存储单元晶态电阻 是一个相对稳定恒定的值，容易测量定标，定义其晶态 时的电阻值为低阻，非晶态电阻值在一定的范围内波动。 在表征存储信息时，通常是将存储单元晶态时的电 阻作为一个基值用于表征一种信息值，用大于此基值一 定倍数的非晶态电阻值来表征其它一个或多个信息值。 对于目前二值存储的器件定义存储单元处于非晶态时表 现出的大于晶态一定倍数的电阻值为高阻。
课外阅读相变存储器PPT课件
铜网上蒸发碳膜作为支持膜，然后沉积40 nm厚的 Ge2Sb2Te5薄膜
（1）沉积态薄膜 并不是完全非晶
（2）退火温度250℃ 较大的晶粒（>50 nm）已经形成
（3）退火温度250℃ 晶粒（100 nm-200） •13 已经形成
空洞产生的推论和揣测： 1.结晶过程中形成更为致 密的结构，局部体积收缩 形成空洞 2.高温导致的Ge2Sb2Te5 中Sb和Te的挥发。
转变，利用其光学反射率的巨大差异。
•5
1968. Stanford R. Ovshinsky，电场激发下具有 高低阻值的转变现象。
1.实验装置
2.实验样品 Ge10Si12As30Te48
3.实验结果
Stanford R. Ovshinsky, Reversible Electrical Switching Phenomena in Disordered Structures, Physical Rev•i6ew Letter, vol. 21, no.20, pp. 1450-1452,1968.
框架
1.相变存储器 1.1 相变存储器的基本原理 1.2相变材料的性质和性能优化 1.3新型相变材料 1.4相变存储器的结构 2.存储器和集成光学 2.1基于相变材料的门开关
•1
1.1相变存储器 （OUM,PCRAM）的基本原理
2
最早的“存储器” 器
相变存储
结绳记事
晶态
低阻
1
非晶态
Zhang T, Liu B, et al, Struture and electrical Properties of Ge thin film used for Ovonic Unified Memory,
相变存储器的工作原理
相变存储器的工作原理相变存储器是一种新型的非易失性存储器，具有电阻式随机存取存储器（Resistive Random-Access Memory，RRAM）或相变存储（Phase-Change Memory，PCM）的别名。
相较于传统的存储器，它具有更高的存储密度、更快的读写速度和更低的功耗，被广泛认为是未来存储器的发展方向之一。
本文将详细介绍相变存储器的工作原理，并从相变材料、电阻调制和读取操作三个方面进行阐述。
一、相变材料相变存储器采用了特定的相变材料，最常见的是硫化锌（ZnS）和掺硅锗（Ge2Sb2Te5）。
这类材料是一种非晶态和结晶态之间可逆转变的物质，能够在电流的刺激下发生相变。
相变材料的特殊结构和成分决定了存储器的工作性能。
二、电阻调制相变存储器的工作原理基于相变材料在不同电阻状态下的相变特性，通过改变相变材料的电阻来实现数据的写入和存储。
具体来说，当相变材料处于非晶态时，其电阻较高，表示存储位为逻辑“0”；而当相变材料转变为结晶态时，其电阻较低，表示存储位为逻辑“1”。
这种电阻的调制过程是可逆的，能够实现多次读写操作。
三、读取操作相变存储器的读取操作是通过测量存储位的电阻来实现的。
一般来说，读取操作是非破坏性的，即不会改变存储位的状态。
通过在相变存储器上施加一定的电压，可以测量存储位的电阻大小，从而确定其状态。
例如，当读取操作的电压小于设定阈值时，可将存储位判定为逻辑“0”；反之，当读取操作的电压大于设定阈值时，可将存储位判定为逻辑“1”。
四、应用前景相变存储器具有许多优点，使其在未来的存储器应用中具有广阔的前景。
首先，相变存储器的存储密度非常高，可以将更多的存储单元集成在一个芯片上，提高存储器的容量。
其次，相变存储器的读写速度快，可以实现更快的数据传输和处理。
再次，相变存储器的功耗低，比传统存储器更加节能环保。
此外，相变存储器还具备较长的存储寿命和较高的工作温度范围，适用于各种场景的应用。
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PRAM
PRAM：Phase Change Random Access Memory
研究动机
1.当代计算机性能提升最重要的一大障碍在于处理器从大容量存储中获 取数据花费的时间。（存储墙问题） 2.用户希望存储器能同时具有 DRAM 的高速度、高寿命和 FLASH 的低 成本、非易失的优点。
工作原理
RESET：PCM写0，使一个高温淬火的过程，对相变材料施加一个时间很短、 强度很高的电脉冲，使其温度上升到熔点以上之后迅速经历退火，材料将由熔 融状态进入非晶状态，即高阻态。
注意点： 1.退火要求热量尽快释放（10^9K/s）否则在退火过程中会有很多材料重新结晶 2.熔化温度很高，导致这一操作功耗较大
存储墙问题
处理器与存储器 发展不平衡
已有半导体存储器的局限
FLASH：在制程进入 1x nm 世代后，越 来越紧邻的存储单元之间的串扰效应，越 来越薄的栅氧化层，导致的电子击穿效应， 都使得NAND 的可靠性和性能受到影响。
DRAM：基本单元是一个晶体管加一个电容，并用电容有无电荷来表示数字 信息 0 和 1。随着微缩工艺的发展，沟道电容越来越难做。功耗高，掉电易 失。 SRAM：由触发器存储数据，用六管NMOS构成。价格昂贵，存储密度低，掉 电易失
B0 Bm
CS
R/W
读写电路设计
行译码器/列译码器：多级译码 灵敏放大器：读出的电流或者电压与参考值进行比较，从而得到存储单元中 存储的是0还是1
写驱动：产生不同幅值的电脉冲Fra bibliotek写方案
读方案
读写电路设计
读写策略 先读再写：避免冗余的写操作，可降低功耗，提高寿命
写完再读：防止写错误
实际产品举例
傲腾Optane Optane Memory 面向桌面的M.2缓存加速盘 （32GB 399 RMB）
1R，1D1R，1T1R
器件结构设计
1R结构 优点：工艺简单，成本低，成品率高，存储密 度高，有利于3D集成； 缺点：串扰严重。若存储阵列中一个存储单元 为高阻态，周围的存储单元为低阻态，在读取 高阻态单元的电阻值时，电流不单只流过该高 阻态单元，而且还会在周围的低阻态单元中形 成电流通路，由此读出的电阻值将和目标单元 的阻值形成一定的偏差，使读出的结果达不到 理想的要求。
工作原理
READ：在器件两端施加足够低的电流,得到电压参数，与标准值进行比较 从而判断阻值高低。如果得到高电压，则是高阻态，存储的数据是“0”；如 果得到低电压，则是低阻态，存储的数据是“1”。 由于流经相变区域的电流很小, 不足以引起材料的任何相变 , 是一种非破坏性 读取。
工作原理
器件结构设计
相变单元结构设计
一字型结构 重点：相变材料，加热电极，绝缘层材料， （潜在的还有选通管） 集成时，要减少写入电流才能提高密度减少 功耗；增加发热效率（减小接触面积，提高 电流密度），减少热散（低热导率绝缘材 料），增加发热体电阻
相变单元结构设计
T字形结构 相变单元共有五层结构： 第一层是下电极，也称阴极。电极层材料需要满 足以下要求：熔点要高于相变材料的熔点、电阻 率小、不易氧化。 第二层是绝缘层。作用：一是形成一个和电极接 触的圆柱形小孔，使得有效相变区域被限制在圆 柱小孔内。有效相变区体积小，相变所需热量小； 底面积越小小孔内材料电阻越大，有利于减小工 作电流。二是有效避免上下电极短路。 绝缘层材料要求有非常高的熔点，有效阻止相变 层材料的扩散；要有极佳热稳定性，能在发生相 变的五、六百摄氏度高温下保持绝缘保护性能。
相变存储器发展历程
2011年，三星展示在58 nm工艺节点 下的1Gbit PCRAM芯片，同时首次 实现全集成的20 nm节点的PCRAM 器件；国内中科院微系统所第一块具 有自主知识产权的8Mbit PCRAM芯 片研制成功，可实现读、写、擦的存 储器全部功能。
2012年，三星公司在国际固态电路 会议（ISSCC 2012）上报道了8Gbit 的PCRAM芯片，制程工艺进一步达 到20 nm。
相变单元结构设计
T字型结构 第三层是相变层和电极层。电极层能有效防 止相变层的氧化。相变层是相变材料所在处。 第四层是绝缘层。将相变层材料从四周保护 起来 第五层是上电极，和存储器的位线相连，也 是存储单元的阳极。
读写电路设计
整体模块
W0 wm
字线 译码
存储单元阵列
控制、 读写模块
Data
位线译码
性能对比
发展历程 材料特性 工作原理 内容 单元结构设计
读写电路设计
实际产品举例
相变存储器
相变存储器发展历程
奥弗辛斯基 (Stanford Ovshinsky)在1968年发表了第一篇关于非晶体相变 的论文，他首次描述了基于相变理论的存储器：材料由非晶体状态变成晶体， 再变回非晶体的过程中，其非晶体和晶体状态呈现不同的光学特性和电阻特 性，因此可以利用非晶态和晶态分别代表“0”和“1”来存储数据，这一 学说称为奥弗辛斯基电子效应。相变存储器是基于奥弗辛斯基效应的元件， 因此又名奥弗辛斯基电效应统一存储器(Ovonics Unified Memory, OUM) 以前由于半导体工艺的限制，造成相变单元所需要的驱动电流过大，这也直 接导致早期的相变存储器并没有赢得太多青睐，反而是利用硫系化合物其宏 观上光学反射率存在很大的差异，在商业上主要被用于多媒体数据光盘 (DVD)，来实现两个稳定数据态的存储。而后得益于半导体加工工艺的进步， 使具有较小的驱动电流器件成为可能，并迎来了自身真正发展的契机。
Optane SSD 面向数据中心的高端SSD P4800X系列 （375GB 17999 RMB）
实际产品举例
实际产品举例
相变机理
在晶态结构时 , Ge 原子具有类八面体结构的排列 , 在非晶态时 , Ge原子具有四面体结构的排列 。
工作原理
SET：PCM写1，是一个中温结晶的过程，对相变材料施加一个时间较长、 强度中等的电脉冲进行加热，使其温度上升到结晶温度以上、熔化温度以下， 导致其结晶，即低阻态。 注意点： 1.该操作用时较长，成为相变存储器的写性能的瓶颈 2.结晶温度与相变存储器的数据保持能力成正相关
相变材料特性
热门材料：硫系化合物（Ge2Sb2Te5，简称GST） 晶态：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 非晶态：具有短距离的原子能级和较低的自由电子密度，因此具有较高的电阻率 存储信息：电阻高低（可相差三个数量级，具有多级存储的潜力） 转换因素：温度
器件结构设计
1D1R结构 优点：添加了二极管这类整流器件， 解决了串扰问题。 缺点：增加了成本和面积；选择的二 极管应该具有正向电流密度大、高整 流比和制备温度低等特点。
器件结构设计
1T1R结构 控制能力很好，但面积和成本也最大。高密度存 储器设计中不会采用该结构。 1TXR结构
集成度更高，但使用单个晶体管控制多个相变单 元时，不可避免地会产生串扰