IBM希望能在未來五年內把一種新型存儲設備商用化。百年巨人能夠再度引領創新嗎？

　　我們的存儲裝置已經在過去的80年中經歷了異常激烈的變化，它們變得越來越難以理解和難以直接讀出，但也變得更小、更快、更穩定。但是這并不夠，因為人們對于效率的追求永無止境。現在，一種低耗能、高速度、全固態的存儲設備也許會成為新的流行，而IBM所做出的努力也許能讓這種叫做“相變存儲裝置”(Phase Change Memory，簡為PCM)的設備更快地普及開來。

　　“相”是指物質的狀態，準確地說，是物質系統中具有相同物理性質的均勻物質部分。同屬固態，但是碳有金剛石和石墨兩種相，鐵則有四種，其間的區別在于原子構成的不同結構。不同結構就會導致不同的物理性質，就像金剛石是世界上最堅硬的物質，而石墨卻很軟一樣。人們嘗試利用不同的相所表現出來的不同物理性質來分別代表0和1，這種存儲方式就被稱做“相變存儲”。

　　1960年，美國發明家Stanford Ovshinsky博士發現了一些玻璃在相變時電阻也會發生變化，而這種電阻變化是可逆的；幾年后，他又發現一些材料在表現為不同的相時，對激光的反射率也有不同。這些發現意味著人們可以通過電流或者激光來測出物質的相，也帶來了存儲設備開發的新思路。Ovshinsky創立了“能量轉換裝置”公司，并且和Intel的創始人之一、提出了著名的“摩爾定律”的Gordon Moore合作，在1970年制造出第一塊半導體相變存儲器。

　　當時是晶體管的黃金時代，相變存儲器的時機尚未到來。1980年代，出于對可擦寫CD的需求，相變存儲裝置迅速變成了大型產業—在不同的相中，材料的反射率不同，光驅的讀取頭便可以分辨出在當前激光掃描到的區域上存儲的數據。后來，這種技術也同樣被用在了可擦寫DVD上。

　　用于可擦寫CD的相變材料能夠在晶體和非晶體狀態之間轉化。當對非晶態的相變材料緩慢加熱時，材料會慢慢變成晶體狀態，呈現出一種反射特征；而如果對晶態的相變材料加熱到熔點以上并且迅速降溫的話，它就會凝結成非晶體，呈現出另一種反射特征。

　　當然，要加熱相變材料，并不只有激光一種方式，電也是一個好選擇。半導體相變存儲器件就是用電流加熱相變材料，其過程和可擦寫CD十分相似，但是使用的材料卻大有不同。今天廣泛使用的是一種簡稱為GST的材料，它由鍺銻碲混合而成，三種元素的原子數量比是2：2：5。GST的特征是在不同的相時，電阻率會有明顯的變化，通過測量流過GST的電流強度，就可以判斷出當前存儲的是0還是1。這是一種通過操縱原子排列而實現存儲的設備。

　　現在相變存儲器的通用設計是把一層GST夾在頂端電極與底端電極之間，并且由底端電極延伸出的加熱電阻接觸GST層。電流注入加熱電阻與GST的連接點時，產生的熱量會引起相變，相變后的材料性質由電流、電壓和時間決定，可以用較強的電流寫入，用較弱的電流讀取。

　　這種存儲裝置有許多優勢。它的使用壽命達到1000萬次寫入周期，遠遠高于企業級閃存芯片的3萬次；它可以存儲的最小單位是1位，這也是人們用來計量數據的最小單位。它不像內存那樣需要持續的電流供應才不會丟失數據，讀取和寫入的速度遠遠超過閃存，而帶寬卻能夠與內存媲美。無論怎么看，它都像是人們想要的那種存儲設備。

　　但是，目前依然還有困擾著相變存儲器發展的問題：它的每個存儲單元只能存儲一位，成本不低而容量不高，目前只是小規模地適用于手機上，還不適合用于計算機。IBM蘇黎世研發中心解決的就是這個問題。在6月份于美國加州蒙特利召開的第三屆美國電氣和電子工程師協會國際存儲設備工作組會議上，IBM的研發工程師提出了多位相變存儲器的設計報告，成功地在每個存儲單元存儲了四種不同的狀態，讓每個存儲單元都能存儲兩位數據。

　　這塊PCM實驗芯片使用90納米工藝制造，擁有20萬個存儲單元，已經經過了5個月的數據存儲實驗，證明達到了企業級存儲設備的要求。IBM的研發人員改進了整個寫入流程，以“迭代式寫入”的方法精確地控制存儲單元的電阻率，還利用先進的調制技術提高了存儲的可靠性。

　　“組織和消費者越來越傾向于云計算模式。”蘇黎世研發中心的存儲技術部門經理Haris Pozidis說，“我們需要更強、更高效，而在價格上也可以接受的存儲技術。通過這項研究，我們在相變存儲實用化方面邁出了一大步。”

　　的確如此。下一個新時代需要這樣的設備，更好的多位相變存儲器甚至可能親手把它的前輩—同樣誕生于IBM研發實驗室的硬盤—徹底埋葬。但是那應該不會在最近發生。根據IBM的計劃，多位相變存儲器的量產應該會是2016年的事了。到底未來會不會是相變存儲器的天下，讓我們再等幾年。