阿呆探案:如果PCM就是3D XPoint

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1994年的一天,全美国观众在电视上看见了上面这幕难忘的镜头:天上直升机成群,地上几十辆警车在洛杉矶高速公路追逐一辆白色福特野马SUV,最后著名橄榄球星辛普森在这辆车上被逮捕,被控谋杀妻子。总是虐待妻子的辛普森被控杀妻,检控方几乎可谓是”证据确凿”。事实上,诸多不利证据都指向辛普森,报纸公开用恶俗大标题”恶魔杀手辛普森”来报道他。但是辛普森聘请了梦幻律师团为他辩护。据专家估算,检方为了与”梦幻律师团”过招,至少破费了纳税人800多万美元巨款。这场官司,经历了474天的审理,出现了113位证人的1105份证词,甚至被称为”世纪审判”。

 

1995年10月3日,美国西部时间上午10点,当辛普森案裁决即将宣布之时,整个美国一时陷入停顿。克林顿总统推开了军机国务;前国务卿贝克推迟了演讲;华尔街股市交易清淡;长途电话线路寂静无声。数千名警察全副武装,如临大敌,遍布洛杉矶市街头巷尾。CNN统计数字表明,大约有1亿4千万(美国总人口3亿左右,几乎是一半人口)美国人收看或收听了”世纪审判”的最后裁决。陪审团裁决结果:辛普森无罪。辛普森后来还大摇大摆的写了一本书:如果我做了,介绍如果他是凶手,那他杀人的详细经过。尽管是假设,但书写的和历史回放一样。

 

阿呆探长通过逻辑推理,推断出3D XPoint其实就是相变存储器PCM的升级版(其实探长是看了别人的博客才知道的),但是,就像辛普森杀妻案一样,一切还没有尘埃落定,所以我们只能假设XPoint是PCM。

 

阿呆没想到对3D XPoint的头号嫌疑犯PCM感兴趣的人这么多,读者们问了很多专业的问题。探长立马失眠了:看来侦探不只是要会推理,还得懂技术原理啊。于是探长又找了一些资料,其中包括ST和Intel的合资公司Numonyx的文档,来说说PCM的内部结构和原理。

 

几种主流存储器对比

 

下图PCM的数据应该还在优化,最新的器件读写速度比表格里面快多了,写的速度不是传输速度,而是物理上的速度。这个表格的数据比较旧,主要还是一个存储器的功耗,寿命,功能等特征比较。可以看出,PCM的特点:

  • 掉电数据不丢失;
  • 可以按照字节访问;
  • 软件简单;
  • 写之前不需要擦出操作;
  • 功耗低,和NAND差不多;
  • 读写速度快;
  • 寿命远长于NAND;

 

相变材料

 

Intel开发的相变存储器使用了硫属化物(Chalcogenides),这类材料包含元素周期表中的氧/硫族元素。Numonyx的相变存储器使用一种含锗、锑、碲的合成材料(Ge2Sb2Te5),多被称为GST。现今大多数公司在研究和发展相变存储器时都都使用GST或近似的相关合成材料。

 

如下图,GST材料随着温度的上升,会从最左边的无定形态转变为右边的规则晶体结构,而电阻率也不断下降。这还是很好理解的,越有规则,导电性能就越好,电阻越小。但是,降温的过程中电阻值却不是可逆的,是底下那条直线。有半导体经验的人马上就明白了,我们要知道数字电路之所以能表示’1′,’0’,就是因为有双稳态,有两个不可逆的稳定状态。这种相变材料恰好有这种特性,就能来表示’0′,’1’了,也就能存储数据。

怎么读写?

 

如下图,是一个PCM存储单元,读的时候我们只要测量GST上面金属节点的电压就知道了,晶体态时电阻低,电压低,无定形态电阻高,电压高。其实测电阻就是测电压,假如底部接地,那么低阻时顶点电压低(和底部导通),可以来表示’0’,高阻时隔断,顶点电压高,可以表示’1’。

那写怎么弄呢?上图中,柱子就是加热器,通过电流之后加热GST,导致它发生相变,不过在不同的温度下,经过一定时间,相变的结果不一样。如下面第二张图,高温Tm下短脉冲加热从晶体变成无定形态,较高温Tx长脉冲加热时从无定形态变成晶体。第三张图是读写的温度时间控制波形。

 

 

Bit Line和Word Line

 

我们知道NAND Flash里面有BitLine和WordLine,通过这两个组成的矩阵结构来管理上亿个存储单元。下面几张图是PCM的BitLine和WordLine结构,通过两条线可以精确控制每一个单元,写的时候控制电流的大小来加热完成相变,读的时候通过测量bitline的电压值就能知道是低阻还是高阻,从而获得0,1值。

layout

 

 

引用

 

http://nvmw.ucsd.edu/2010/documents/Atwood_Greg.pdf

http://blog.sina.com.cn/s/blog_4b9eab320100y7ut.html

http://www2.ess.nthu.edu.tw/news/images/pic/Phase_Change_Memory.pdf

 

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