论文部分内容阅读
英特尔已经将目光投向未来的电脑：新的3D XPoint存储器和内存一样快，又可以比固态硬盘更可靠地存储数据，首批产品将在2016年发布。
电脑技术的发展速度极快，按照摩尔定律，半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量每18个月增加一倍。但是，除了芯片，其他的一些技术也非常重要，例如所谓的非易失性存储器（Non Volatile Memory，简称NVM）：NVM是工作存储器和数据存储器的通用组合，目前为了确保电脑可以快速地工作，我们需要为其配备内存，而内存在电脑关闭之后是无法保存数据的，为此，我们还需要为电脑配备硬盘驱动器。作为工作存储器，内存的速度非常快，但它需要每隔几秒就重新刷新，否则数据将丢失。而硬盘可以长期保存数据，但是它的速度比内存要慢很多。在使用两种存储器的情况下，电脑需要从数据存储器上加载数据到工作存储器，处理之后在将数据从工作存储器写入数据存储器，个人电脑花费大量的时间来进行类似的读取和写入操作。
而使用通用的存储器NVM将可以完全避免这种浪费，因为内存和硬盘驱动器不再是两种不同的介质，而是合为一体，成为一个单一的介质，这将可以带来一种全新的电脑。为了实现这一构想，通用存储器必须和内存一样快，并且能够在切断电源之后仍然可以保存其数据。虽然闪存很快，固态硬盘可以比普通的机械硬盘快得多，但是和内存相比它们仍然太慢，为此，我们需要一种新的存储器。十多年来研究人员一直在琢磨能够满足这种需求的NVM技术，而当前有3种新兴的存储技术最有机会脱颖而出：可变电阻式随机存储技术（Resistive random-access memory，简称ReRAM或RRAM）、相变存储技术（Phase Change Memory，简称PCM）和自旋转移力矩随机存储技术（Spin Transfer Torque Random Access Memory，简称STT-RAM）。由于3D XPoint使用PCM技术，所以目前它看起来像是这场竟赛的赢家，虽然英特尔并没有明确说明所使用的技术，但是根据英特尔已经发布的3D XPoint相关资料，似乎指向PCM的方向。
从非结晶到结晶
所谓的相变存储技术指的是利用一些物质可逆转的相变来存储信息的技术，物质的非结晶和结晶状态分别对应0和1。许多PCM项目指望硫属化物，通常是周期表氧族的一种或多种元素的化合物，而最有希望的候选者是锗、硒和碲的合金。在非结晶或随机状态下，这些合金是不导电的，但是它们在结晶状态下是导电的。从非结晶状态向结晶状态转换只需要用较弱的能量和稍长的脉冲加热即可，但是如果要使材料返回到非结晶状态，则需要施加强大的短脉冲熔化材料，然后在它达到非晶状态时冷却它。
如果我们仔细观察3D XPoint的PCM单元，那么我们就会发现它由两部分组成，每一部分都夹在两个电极之间：下面的部分是一个晶体或非晶体状态的存储元件，上面则是一个开关（双向阈值开关），用于释放或锁定存储器元件的存取。这个开关主要是为了防止相邻的PCM单元的漏电流无意中激活存储元件而导致出现错误。添加这一开关作为绝缘层，能够让PCM单元彼此靠近而不相互影响。
上亿次写操作
和内存一样，每一个PCM单元是由位线和字线控制的，可以单独控制，而闪存则无法做到这一点，所以如果固态硬盘控制器需要修改一个字节的数据，则必须重新写一个最小尺寸4 000字节的大块。而另一方面，3D XPoint的PCM单元使用20nm的工艺生产，因此，所实现的数据载体类似于最新的固态硬盘，其存储密度至少是普通内存的10倍。此外，3D XPoint目前最多可以堆叠两层PCM单元，这种结构是其名称“3D”的由来。而我们更关心的是，这种技术最终是否能够和闪存一样堆叠32或48层。3D XPoint另一个主要优点是耐用：相对于普通固态硬盘，闪存单元只有大约5000～10000次的写操作寿命，PCM单元可以承受上亿次相位的变换。
2015年，英特尔和美光已经宣布将要大量生产3D XPoint，并组成合资企业“英特尔美光闪存技术”（Intel Micron Flash Technologies，简称IMFT）。不过，生产的具体情况并不太清楚：英特尔打算在2016年开始供应3D XPoint固态硬盘，但IMFT的负责人认为，可能需要到2017年4月中旬才能够展示产品的原型。
该产品可以实现2GB/s的传输速度，而影响其速度的可能是相对比较缓慢的接口。另外，3D XPoint的内存条也有望在2017年开始销售，界时我们将可以体验一下3D XPoint究竟有多快以及它是否可以成为一种通用的存储器。
电脑技术的发展速度极快，按照摩尔定律，半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量每18个月增加一倍。但是，除了芯片，其他的一些技术也非常重要，例如所谓的非易失性存储器（Non Volatile Memory，简称NVM）：NVM是工作存储器和数据存储器的通用组合，目前为了确保电脑可以快速地工作，我们需要为其配备内存，而内存在电脑关闭之后是无法保存数据的，为此，我们还需要为电脑配备硬盘驱动器。作为工作存储器，内存的速度非常快，但它需要每隔几秒就重新刷新，否则数据将丢失。而硬盘可以长期保存数据，但是它的速度比内存要慢很多。在使用两种存储器的情况下，电脑需要从数据存储器上加载数据到工作存储器，处理之后在将数据从工作存储器写入数据存储器，个人电脑花费大量的时间来进行类似的读取和写入操作。
而使用通用的存储器NVM将可以完全避免这种浪费，因为内存和硬盘驱动器不再是两种不同的介质，而是合为一体，成为一个单一的介质，这将可以带来一种全新的电脑。为了实现这一构想，通用存储器必须和内存一样快，并且能够在切断电源之后仍然可以保存其数据。虽然闪存很快，固态硬盘可以比普通的机械硬盘快得多，但是和内存相比它们仍然太慢，为此，我们需要一种新的存储器。十多年来研究人员一直在琢磨能够满足这种需求的NVM技术，而当前有3种新兴的存储技术最有机会脱颖而出：可变电阻式随机存储技术（Resistive random-access memory，简称ReRAM或RRAM）、相变存储技术（Phase Change Memory，简称PCM）和自旋转移力矩随机存储技术（Spin Transfer Torque Random Access Memory，简称STT-RAM）。由于3D XPoint使用PCM技术，所以目前它看起来像是这场竟赛的赢家，虽然英特尔并没有明确说明所使用的技术，但是根据英特尔已经发布的3D XPoint相关资料，似乎指向PCM的方向。
从非结晶到结晶
所谓的相变存储技术指的是利用一些物质可逆转的相变来存储信息的技术，物质的非结晶和结晶状态分别对应0和1。许多PCM项目指望硫属化物，通常是周期表氧族的一种或多种元素的化合物，而最有希望的候选者是锗、硒和碲的合金。在非结晶或随机状态下，这些合金是不导电的，但是它们在结晶状态下是导电的。从非结晶状态向结晶状态转换只需要用较弱的能量和稍长的脉冲加热即可，但是如果要使材料返回到非结晶状态，则需要施加强大的短脉冲熔化材料，然后在它达到非晶状态时冷却它。
如果我们仔细观察3D XPoint的PCM单元，那么我们就会发现它由两部分组成，每一部分都夹在两个电极之间：下面的部分是一个晶体或非晶体状态的存储元件，上面则是一个开关（双向阈值开关），用于释放或锁定存储器元件的存取。这个开关主要是为了防止相邻的PCM单元的漏电流无意中激活存储元件而导致出现错误。添加这一开关作为绝缘层，能够让PCM单元彼此靠近而不相互影响。
上亿次写操作
和内存一样，每一个PCM单元是由位线和字线控制的，可以单独控制，而闪存则无法做到这一点，所以如果固态硬盘控制器需要修改一个字节的数据，则必须重新写一个最小尺寸4 000字节的大块。而另一方面，3D XPoint的PCM单元使用20nm的工艺生产，因此，所实现的数据载体类似于最新的固态硬盘，其存储密度至少是普通内存的10倍。此外，3D XPoint目前最多可以堆叠两层PCM单元，这种结构是其名称“3D”的由来。而我们更关心的是，这种技术最终是否能够和闪存一样堆叠32或48层。3D XPoint另一个主要优点是耐用：相对于普通固态硬盘，闪存单元只有大约5000～10000次的写操作寿命，PCM单元可以承受上亿次相位的变换。
2015年，英特尔和美光已经宣布将要大量生产3D XPoint，并组成合资企业“英特尔美光闪存技术”（Intel Micron Flash Technologies，简称IMFT）。不过，生产的具体情况并不太清楚：英特尔打算在2016年开始供应3D XPoint固态硬盘，但IMFT的负责人认为，可能需要到2017年4月中旬才能够展示产品的原型。
该产品可以实现2GB/s的传输速度，而影响其速度的可能是相对比较缓慢的接口。另外，3D XPoint的内存条也有望在2017年开始销售，界时我们将可以体验一下3D XPoint究竟有多快以及它是否可以成为一种通用的存储器。