PCM記憶體定位漸明確 與現有記憶體技術互補可共利

PCM並非取代現有的記憶體系統，而是可以作為互補。古榮豐攝

前言：相變化記憶體(PCM)是新一代非揮發性記憶體技術。透過比較PCM與現有的SLC和MLC NAND快閃記憶體以及硬碟驅動器(HDD) 和固態硬碟(SSD)等系統解決方案，評估PCM的相對成本、效能和可靠度，可以瞭解PCM適用於哪些應用領域，以及這項新技術的潛在價值。

本文：當探討PCM在記憶體領域的定位時，必須注意其為具有重要優勢的補充技術 (特別是當系統需求是重要的考慮因素的情況)，而非替代其他記憶體的儲存技術。不論是作為RAM還是NAND快閃記憶體的補充，只要使用適量的PCM就能改進企業級電腦和電子商務等高端應用的可靠度和處理效能。

PCM是利用材料中的可逆相態變化來儲存資訊的非揮發性記憶體。物質以多種相態存在，如固態、液態、氣態、凝結和離子。PCM 依賴於材料在不同相變時所表現出來的不同的電阻率特性。恆憶的PCM採用一種由鍺、銻和碲三種元素組成的叫做GST的合金材料(Ge2Sb2Te5)。在非結晶狀態時，GST合金的分子結構雜亂無序，因而電阻率也較高。相比之下，在晶體狀態時，GST的分子結構整齊有序，電阻率相對較低。PCM的技術基礎就是利用材料電阻率在兩個相態之間的差異性。透過注入電流，可在材料局部產生強烈的焦耳熱效應，引發相態變化。透過調整電壓大小和施加的電流時長，可以調整最終的材料相態。

PCM有一些有趣的特性：如同NOR和NAND快閃記憶體，PCM也是非揮發性記憶體技術之一，因此保存資料並不需要重啟電源。PCM 具備位元可修改功能，記憶體保存的資訊可以從1切換到0或者從0切換到1，無需單獨的抹除步驟。PCM的特點是隨機讀取時間短。這個特性使處理器可直接從記憶體執行代碼，無需把代碼複製到RAM的中間過程。PCM讀取延時與每單元中任一位元的NOR快閃記憶體相當，而讀取效能則可與DRAM記憶體媲美。PCM的寫入速度可達到NAND快閃記憶體的水準，因為不需要單獨的抹除步驟，PCM的寫入延時更短。相比之下，NOR快閃記憶體的寫入速度中等，但是抹除操作時間較長。

PCM與記憶體技術生命週期以及技術比較

如果植基於NAND快閃記憶體技術的固態硬碟目前在很多應用領域中尚處於早期的推廣階段，那麼 PCM則處於此記憶體技術推廣應用曲線的更早階段。當評價一項技術時，工程師十分看重成本和價格。但當工程師思考一項新技術如何能提升正在開發的系統的效能時，會首先關注的是可靠度和效能，然後才會考慮成本的問題。故比較PCM與DRAM和NAND快閃記憶體時，應該特別注意讀寫延時決定記憶體效能，耐讀寫能力是衡量記憶體可靠度的指標。

寫入延時和耐寫能力-PCM次於DRAM，但是明顯快於NAND；讀取延時和耐讀能力–PCM接近DRAM的速度，明顯優於 NAND；成本–就 SLC PCM、DRAM和SLC NAND快閃記憶體裸片(300mm晶圓)的理論成本比較報告，NAND最便宜。PCM成本大約是NAND的1.2倍，DRAM成本大約是NAND的1.4倍。由此可見PCM明顯優於DRAM，然而不能像NAND一樣便宜，不過在這些技術中，很多技術的製程遮罩總數量正趨於相同。

與SLC NAND相比，DRAM成本大約高40%，而PCM成本大約高20%。決定是否應用一項新的儲存技術時，一般會應用以下經驗法則：替代技術的成本應為現有技術的1/8到1/10。因此單從成本角度考量，PCM作為NAND快閃記憶體替代技術的理由仍並不充分。

但可靠度為 PCM 勝出關鍵，許多NAND快閃記憶體技術的可攜式產品，如MP3播放器和隨身碟。在正常使用的狀況，這些設備需要寫記憶體10到100次，但尚未達到千次以上。透過最先進的微影技術，這些裝置應用中的NAND快閃記憶體技術可把成本降至極低的水準。而無線通訊、運算裝置和固態硬碟等高端應用也使用NAND快閃記憶體，但是這些應用具備各別不同的使用條件和要求。某項技術可能是 MP3 播放器的理想選擇，但在企業級伺服器上的應用卻可能受限。

對於任何一種非揮發性浮動閘極記憶體(non-volitile floating gate memory device)，讀寫記憶體次數越多，失效次數也隨之增加，資料儲存期限也會縮短。PCM有趣的特性之一即是保存期限與耐讀寫次數無關，意即不管讀取 PCM記憶體一百萬次還是1次，都不會改變資料儲存的期限。這項特性深刻地影響此技術的使用與管理。資料儲存期限在許多嚴苛的應用中都極為重要，而恆憶已證實PCM的資料儲存期限可長達10年。

另一方面，由於失效一般發生在寫入的操作過程中，因此當PCM寫入資料時，如果寫入驗證機制顯示該單元無數據，該資料則會立即被重寫到另一個儲存單元。這也是運用 PCM簡化系統級設計的優化功能。故PCM是適於無線應用的低功耗記憶體，目前新一代智慧手機用戶，對於手機有三個基本要求：快速開機(instent on)、使用簡便且電池使用時間長，以及優異的多媒體、遊戲和上網功能。

PCM具備優異的讀取延時特性，意即其代碼執行能力符合新一代無線用戶的需求。PCM能儲存大量的資料和代碼，並具有承受百萬次的讀寫能力。憑藉PCM非揮發性記憶體技術的特性，除能簡化無線設備的電源管理設計，同時還有助於徹底解決效能與電池使用時間難以平衡的困擾。以整合了LPDDR2記憶體控制器的微處理器平臺為例，系統設計人員利用PCM的低功耗特性而能僅使用一個非揮發性記憶體，進而簡化了手機架構。

PCM的效能與商業價值

運用記憶體技術提高運算效能有兩個基本方式：增加頻寬以傳輸更多資料與縮短延時以提高資料速率。在效能第一的高端應用中，增加頻寬需要增加更多的 RAM、硬碟機和伺服器。提升讀寫延時效能，可用回應速度是微秒(microsecond)級別的固態硬碟，取代毫秒(milisecond)級別的硬碟。後一種方法趨於降低總擁有成本(total cost of ownership, TCO)，因為新增一個延時較短的伺服器比增加三到四個伺服器更划算。經由比較發現，PCM的寫入時延大約是1微秒，約為 SLC NAND快閃記憶體的100倍，硬碟驅動器的100,000倍左右。PCM的讀取延時也同樣出色，大約是50-100奈秒，是 SLC NAND快閃記憶體的100倍左右，大約是硬碟機的100,000倍。

在電子商務世界，即便延時取得很小的改進，都會產生極大的價值：據Amazon報告，每增加100毫秒延時，都會損失1%的銷售額。據Google報告，搜索網頁生成時間每增加500毫秒，流量會降低20%。據分析公司Tabb Group報告，即使某券商的電子交易平臺比競爭對手只慢5毫秒，他每毫秒也可能會損失400萬美元。

作為RAM和固態硬碟間中介系統，PCM的確具備極高的價值，因為高端系統使用低延時PCM技術，不管是作為RAM或是NAND的補充，只要運用適量的PCM，就能大幅提升效能。當PCM未來開始應用於高端設備後，可以預期這項技術的普及率即會逐步升高。(本文作者Ed Doller為恆憶技術長)