我們的存儲裝置已經(jīng)在過去的80年中經(jīng)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(wěn)定。但是這并不夠，因為人們對于效率的追求永無止境。現(xiàn)在，一種低耗能、高速度、全固態(tài)的存儲設(shè)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(shè)備更快地普及開來。
“相”是指物質(zhì)的狀態(tài)，準確地說，是物質(zhì)系統(tǒng)中具有相同物理性質(zhì)的均勻物質(zhì)部分。同屬固態(tài)，但是碳有金剛石和石墨兩種相，鐵則有四種，其間的區(qū)別在于原子構(gòu)成的不同結(jié)構(gòu)。不同結(jié)構(gòu)就會導(dǎo)致不同的物理性質(zhì)，就像金剛石是世界上最堅硬的物質(zhì)，而石墨卻很軟一樣。人們嘗試利用不同的相所表現(xiàn)出來的不同物理性質(zhì)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(fā)明家Stanford Ovshinsky博士發(fā)現(xiàn)了一些玻璃在相變時電阻也會發(fā)生變化，而這種電阻變化是可逆的；幾年后，他又發(fā)現(xiàn)一些材料在表現(xiàn)為不同的相時，對激光的反射率也有不同。這些發(fā)現(xiàn)意味著人們可以通過電流或者激光來測出物質(zhì)的相，也帶來了存儲設(shè)備開發(fā)的新思路。Ovshinsky創(chuàng)立了“能量轉(zhuǎn)換裝置”公司，并且和Intel的創(chuàng)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(dǎo)體相變存儲器" title="相變存儲器">相變存儲器。
當(dāng)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(chǎn)業(yè)—在不同的相中，材料的反射率不同，光驅(qū)的讀取頭便可以分辨出在當(dāng)前激光掃描到的區(qū)域上存儲的數(shù)據(jù)。后來，這種技術(shù)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(tài)之間轉(zhuǎn)化。當(dāng)對非晶態(tài)的相變材料緩慢加熱時，材料會慢慢變成晶體狀態(tài)，呈現(xiàn)出一種反射特征；而如果對晶態(tài)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(jié)成非晶體，呈現(xiàn)出另一種反射特征。
當(dāng)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(dǎo)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(shù)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(dāng)前存儲的是0還是1。這是一種通過操縱原子排列而實現(xiàn)存儲的設(shè)備。
現(xiàn)在相變存儲器的通用設(shè)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(chǎn)生的熱量會引起相變，相變后的材料性質(zhì)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。
我們的存儲裝置已經(jīng)在過去的80年中經(jīng)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(wěn)定。但是這并不夠，因為人們對于效率的追求永無止境。現(xiàn)在，一種低耗能、高速度、全固態(tài)的存儲設(shè)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(shè)備更快地普及開來。
“相”是指物質(zhì)的狀態(tài)，準確地說，是物質(zhì)系統(tǒng)中具有相同物理性質(zhì)的均勻物質(zhì)部分。同屬固態(tài)，但是碳有金剛石和石墨兩種相，鐵則有四種，其間的區(qū)別在于原子構(gòu)成的不同結(jié)構(gòu)。不同結(jié)構(gòu)就會導(dǎo)致不同的物理性質(zhì)，就像金剛石是世界上最堅硬的物質(zhì)，而石墨卻很軟一樣。人們嘗試利用不同的相所表現(xiàn)出來的不同物理性質(zhì)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(fā)明家Stanford Ovshinsky博士發(fā)現(xiàn)了一些玻璃在相變時電阻也會發(fā)生變化，而這種電阻變化是可逆的；幾年后，他又發(fā)現(xiàn)一些材料在表現(xiàn)為不同的相時，對激光的反射率也有不同。這些發(fā)現(xiàn)意味著人們可以通過電流或者激光來測出物質(zhì)的相，也帶來了存儲設(shè)備開發(fā)的新思路。Ovshinsky創(chuàng)立了“能量轉(zhuǎn)換裝置”公司，并且和Intel的創(chuàng)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(dǎo)體相變存儲器。
當(dāng)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(chǎn)業(yè)—在不同的相中，材料的反射率不同，光驅(qū)的讀取頭便可以分辨出在當(dāng)前激光掃描到的區(qū)域上存儲的數(shù)據(jù)。后來，這種技術(shù)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(tài)之間轉(zhuǎn)化。當(dāng)對非晶態(tài)的相變材料緩慢加熱時，材料會慢慢變成晶體狀態(tài)，呈現(xiàn)出一種反射特征；而如果對晶態(tài)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(jié)成非晶體，呈現(xiàn)出另一種反射特征。
當(dāng)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(dǎo)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(shù)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(dāng)前存儲的是0還是1。這是一種通過操縱原子排列而實現(xiàn)存儲的設(shè)備。
現(xiàn)在相變存儲器的通用設(shè)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(chǎn)生的熱量會引起相變，相變后的材料性質(zhì)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(yōu)勢。它的使用壽命達到1000萬次寫入周期，遠遠高于企業(yè)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(shù)據(jù)的最小單位。它不像內(nèi)存那樣需要持續(xù)的電流供應(yīng)才不會丟失數(shù)據(jù)，讀取和寫入的速度遠遠超過閃存，而帶寬卻能夠與內(nèi)存媲美。無論怎么看，它都像是人們想要的那種存儲設(shè)備。
但是，目前依然還有困擾著相變存儲器發(fā)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(guī)模地適用于手機上，還不適合用于計算機。IBM蘇黎世研發(fā)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(xié)會國際存儲設(shè)備工作組會議上，IBM的研發(fā)工程師提出了多位相變存儲器的設(shè)計報告，成功地在每個存儲單元存儲了四種不同的狀態(tài)，讓每個存儲單元都能存儲兩位數(shù)據(jù)。
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(jīng)經(jīng)過了5個月的數(shù)據(jù)存儲實驗，證明達到了企業(yè)級存儲設(shè)備的要求。IBM的研發(fā)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(diào)制技術(shù)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(fā)中心的存儲技術(shù)" title="存儲技術(shù)">存儲技術(shù)部門經(jīng)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(shù)。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(shè)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(fā)實驗室的硬盤—徹底埋葬。但是那應(yīng)該不會在最近發(fā)生。根據(jù)IBM的計劃，多位相變存儲器的量產(chǎn)應(yīng)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。