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相变存储器PRAMPRAM：PhaseChangeRandomAccessMemory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。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FLASH：在制程进入1xnm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。性能对比内容发展历程材料特性工作原理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(StanfordOvshinsky)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(OvonicsUnifiedMemory,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。相变存储器发展历程2011年，三星展示在58nm工艺节点下的1GbitPCRAM芯片，同时首次实现全集成的20nm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8MbitPCRAM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（ISSCC2012）上报道了8Gbit的PCRAM芯片，制程工艺进一步达到20nm。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。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存储单元阵列字线译码位线译码控制、读写模块CSR/WDataW0wmB0Bm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OptaneOptaneMemory面向桌面的M.2缓存加速盘（32GB399RMB）OptaneSSD面向数据中心的高端SSDP4800X系列（375GB17999RMB）实际产品举例实际产品举例