IBM取得计算机记忆体技术突破

IBMResearch的科学家首次展示了新的记忆体技术，也就是相变记忆体（PCM）。科学家在每个记忆体单元上可以在更长的时间内存储多个比特的数据。这个重大的技术进步有助于发展低成本、更快速和更耐用的记忆体，可以应用于各种消费者设备（包括手机和云存储），以及各种高性能应用，比如企业数据存储。

PCM 集速度、耐用性、非易失性和密度等优势于一身，有可能在未来五年内在企业IT和存储系统领域掀起一场革命。科学家们一直在寻找一种比闪存更快速的非易失记忆体技术--闪存是如今最普遍的非易失记忆体技术。这样的记忆体技术应该可以让计算机和服务器大大提高整体的IT系统性能。PCM相较闪存的一大优势就是它的读取和写入数据的速度100倍于闪存，可以进行大容量存储，在电源关闭后也不会丢失数据。和闪存不同，PCM是非常耐用的记忆体，可以承受1千万次写入周期，而目前的企业级闪存只能承受3万次，消费者级别的闪存只有3000次。虽然3000次周期可以胜任许多消费者设备，但是这样的周期对企业级应用来说太低了。

IBM Research（苏黎世）的Memory and Probe Technologies部门经理Haris Pozidis博士表示：“随着单位用户和消费者越来越倾向云计算模式和服务--大部分数据被存储在云内并在云内处理--我们需要更加强大、高效同时从价格上可承受的存储技术。通过展示这样一个多比特相变记忆体技术，我们在相变记忆体设备的实用化方面迈出了一大步。我们的PCM首次接近了企业级应用所要求的可靠性水平。”

多层相变记忆体突破

为了取得技术上的突破，IBM在苏黎世的科学家用一种高级调制编码技术来缓解多比特 PCM的短期漂移问题。漂移会导致电阻水平随着时间流逝发生变化，有可能导致读取错误。此前，科学家还只有在1比特PCM上有取得可靠的数据保留效果，还没有在多比特PCM上报道过可靠的数据保留效果。

PCM利用材料--各种元素的合金--中的电阻值的变化--从低电阻值的结晶态到高电阻值的非结晶态--来存储数据比特。在一个PCM单元中，相变材料被放在上下两个电极中间。科学家可以通过电压或不同强度的电流脉冲来有控制地改变相状态。这些电压或脉冲会加热材料，不同的温度水平会使得材料从结晶态变为非结晶态或反过来。

此外，根据电压水平，电极中间的或多或少的材料会经历一次相变，从而直接影响到记忆体单元的电阻水平。科学家们成功地在每个单元上存储多个比特的数值。在目前的工作中，IBM科学家利用四个电阻水平来存储比特组合：“00”、“01”、“10”和“11”。

为了达到展示的可靠性水平，必须在“读取”和“写入”流程上有重大的技术进步。科学家们利用迭代“写入”方法来克服由于记忆体单元和相变材料本身可变性所带来的电阻偏移。Pozidis解释道：“我们根据实际电阻值与期望电阻值的偏离程度来应用电压脉冲，然后再衡量新的电阻水平。如果没有达到期望电阻值，我们就用另一个电压脉冲，然后再衡量一次--直到达到预期水平。”

尽管使用迭代进程，最差情况下的写入延迟也只有10微秒，性能比目前市场上最先进的闪存也要快100倍。

为了可靠地读取数据，科学家们必须解决电阻漂移问题。由于非结晶态下原子之间的结构性松散，电阻值在相变后会随着时间流逝而增加，最终导致读取错误。为了克服这个问题，IBM科学家利用一种高级调制编码技术来克服内在的漂移问题。这个调制编码技术的原理是，平均而言，不同电阻水平的记忆体单元之间的相对顺序不会因为漂移而发生改变。

通过这种技术，IBM科学家们可以缓解漂移问题。他们的PCM测试芯片上组合了20万个记忆体单元，采用90纳米 CMOS制程，可以长期保留数据。PCM测试芯片的设计和制造集合了各地科学家的努力，包括Burlington、佛蒙特、Yorktown Heights、纽约和苏黎世的科学家。科学家们测试了五个月时间的数据保留效果。结果显示多比特PCM的可靠性符合实用水平。

IBM Research苏黎世部门的PCM研究项目将继续在最近开张的Binnig and Rohrer Nanotechnology Center纳米技术研发中心进行。该中心是IBM和苏黎世ETH合作运营的。IBM和ETH在纳米科学上有进行合作。该中心有先进的设备，包括针对纳米制造的大型清洗室，以及6个“无噪音”实验室，尤其是针对高敏感性试验的封闭式实验室。

记忆体技术的发展历史

IBM是计算机记忆体技术发展的先驱。1966年，IBM的Robert Dennard博士发明了动态随机存取记忆体（DRAM）。DRAM的发明，加上低成本微处理器的使用，为小型个人电脑的发展敞开了大门。如今，每台个人电脑、笔记本电脑、掌上游戏机和其他计算设备都有搭载DRAM芯片。DRAM同时还应用于大型机、数据中心服务器和运行互联网的大部分机器。1988 年，Dennard博士因为DRAM的发明获得美国国家技术奖章（US National Medal of Technology）。在IBM今年的百年纪念中，IBM将DRAM列为最伟大的100项创新之一。更多信息，请参阅该网址。

《漂移容错型多层相变记忆体》报告的作者包括N. Papandreou、H. Pozidis、T. Mittelholzer、G.F. Close、M. Breitwisch、C. Lam和E. Eleftheriou。Haris Pozidis最近在加州Monterey举行的第三届IEEE（美国电气和电子工程师协会）国际记忆体工作组会议上提出了该报告。

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