一直以来电路设计师们正在寻求一个能够集成多种存储器类型到同一个芯片上的技术，以获得最佳的性能。更重要的是目前存储器领域正面临着新一轮的变革，预计再过几年DRAM的光刻工艺将达到技术的极限，一旦超过这个极限，可靠性问题将限制隧道氧化物和电介质层厚度的进一步降低，无法再继续缩小尺寸、增加密度。于是，相变内存技术出现……

相变内存，“变”在那里？

    相变内存，英文全称为“Phase-Change Memory”，通常称为PCM技术或相变RAM技术。之所以被称为相变内存，是因此它利用特殊材料（包括硫、硒或者碲等，目前主要的研究方向是硫属化物玻璃（chalcogenide glass））在晶态和非晶态之间相互转化时所表现出来的导电性差异来存储数据。

    我们都知道，计算机存储单元通过在两种易辨状态（数字“0”或“1”）间迅速转换的架构来存储信息，而当前的大多数存储器都是根据微小的存储单元的有限区域中有无电荷来记录数据的。相变内存则是利用低电阻率(晶态)和高电阻率(非晶态)分别代表二进制数字1和0。这和利用液晶的方向阻挡光线或传递光线的液晶显示器有着同样的原理。

    在PCM晶格（也称记忆胞）中，相变材料放置在顶部和底部的两个电极之间，通过电压或不同强度的电流脉冲来控制相变的发生。在相变内存的每个位的位置均有一个微型加热器，通过熔化然后再冷却材料，来促进晶体熔化或禁止晶体熔化，每个位就会在晶态与非晶态之间转换。

    一旦电流超过临界值，进入预先设定的温度区间后，此时晶格内的热能足以使相变化材料产生变化，也就是进入相变内存的写入区间。当晶格温度到达相变化膜结晶温度，会将材料由非晶态相变成结晶态，将数据”1”(低电阻)写入内存。当外加电流持续提高，直到晶格温度高过相变材料的熔点时，通过快速降温的焠火步骤会将结晶的相变化材料转化为非晶态，此时将数据”0”(高电阻)写入内存。因此，相变内存这种读取、存储方式也属于”非破坏性读取”、”非挥发性”内存，在此读取电压范围内不会破坏原有之记忆(结晶)状态。

    当然，切换到非晶体状态通常耗时不到100ns，单元的加热时间常量通常仅为几纳秒。内存单元写入操作所需的不同电流产生了内存的直接写入操作特性：写入操作所需要的电流要比读取操作的电流高，因为该电流只区别高电阻(非晶体)和低电阻(晶体)状态，而写入操作时需要让材料达到“熔”点。

性能高、寿命更长

    除了这独特的“加热存储”模式之外，相变内存被业界看好是还因为两大原因。第一原因是存储性能：这些改进之处包括更短的随机访存时间、更快的读写速度，以及直接写入、位粒度和高耐读写能力。

　　相变内存由于可以通过加热工艺从一种相位转变到另一个相位，擦除任何数据，因此可以在不删除现有数据的情况下写入数据，这相当于把NAND闪存的两个写入流程被缩减为相变内存的一个写入流程。因此，同普通的Flash芯片相比，PCM内存的数据写入时间更短，写入时的耗电量也不足Flash芯片的1/2。也正由于写入流程的缩减，让相变内存的写入持久性要远远高于NAND。现在，NAND闪存的生命周期大约在10000到100000个写入周期，相变内存的生命周期大约是它的三到五倍。根据IBM的说法，PCM的写入次数可以多达5万次。

　　存储单元小和制造工艺可以升级是让人们看好PCM的第二大理由。NAND和DRAM一直存在可扩展性的问题。目前最先进的半导体芯片制程也只达到了22nm，且现有构架的半导体芯片制程进一步降低到20nm以下将是十分困难的，即便是降至22nm以下，这些存储介质的效率也会大打折扣。而PCM的尺寸很容易降低到几个纳米，相变物理性质显示制程有望升级到5nm节点以下（仅相当于人的一根头发丝的１万分之一那么细。），有可能把闪存确立的成本降低和密度提高的速度延续到下一个十年期。而未来采用纳米级的相变内存器件所构成的电路芯片，其器件集成度可以明显提高，极具成本与性能上的优势。

相变内存，让电脑即开即用！

　　电脑之所以不能像家用电器一样即开即用，其最主要的原因就在于采用了DRAM这一存储介质。由于每次断电都会导致随机存储当中的数据丢失，所以在断电之后系统必须重新向RAM中加载数据。

    虽然闪存具有非易失性数据保留的特性，但闪存在写入数据要比在DRAM或SRAM上写入数据慢上千倍，且闪存存储单元有限的读写寿命并不可靠。

    PCM的出现将改变这个游戏规则。每次PCM电压被切断时，材料会停留在暂稳的非晶态状态，这就好象是按了个暂停键，当电压重新接通时，系统仍能“记得”之前停在哪里。PCM这种所具有的数据非易失性将可以计算机和服务器做到真正的即开即用。也许数年后，当你打开电脑，系统能够快速的完成启动并从上次停止的地方开始运行。没有嗡嗡作响的硬盘驱动器或风扇，所有数据都直接从设备内的存储器进行读写。

    当然，要想要实现这一目标我们仍然需要解决很多问题。假如PCM真的取代了硬盘和传统内存，那么就意味着所有数据都将存储在PCM之中，整个数据存取和内存地址分配的机制、规则都将发生彻底的改变，其将导致软件层面和程序架构层面的大规模重新编译。因此PCM除了用在存储系统中，PCM未来最可能的角色是作为DRAM的扩展---充当一个“缓冲池”。DRAM继续作为最接近CPU的存储介质用来保存访问最频繁的那部分数据，而存储容量更大的PCM可用于保存不经常访问的数据。

相变内存，距离我们并不遥远

　　相变内存不仅为电子电路基本理论的发展提供了实验结果支持，同时也为新技术领域的拓展打下了基础。因此相变内存近年来也被赋予另一项新任务，即取代硬盘成为另一种存储媒体，包括Flash、DRAM等都锁定在此。

    未来它将会朝着两个方向发展：一是Memory（取代传统内存，高速取向），另一则是Storage（取代传统硬盘、光盘，海量取向）。与目前广泛使用的存储器，包括使用闪存作为存储介质的SSD硬盘相比，基于相变内存的存储设备具备耗电量更低、存储密度更大、速度更快、尺寸更小等一系列优点。目前Intel、IBM、Ovonyx(专门从事相变存储领域研究的公司，在该领域拥有众多国际专利和本国专利)、三星、美光、奇梦达、IBM等厂商都纷纷加入了PCM领域的研究，因此相变内存存储技术还很可能将面临与其它新一代存储技术的角逐。

　　例如三星在其GT-E2550 GSM手机中使用的就是512MB的PCM存储芯片；美光科技公司Numonyx部门也推出128MB的PCM存储芯片，主要供应给几个网络设备生产商和安全摄像机生产商。单元尺寸与芯片制造成本是影响内存每位成本的两大关键要素。目前的PCM技术生产的主要是单层晶格类型，每个存储单元只能存储一个位，存储容量比较小。在成本上，相变内存的每GB成本大约是DRAM的25倍，但考虑到相变内存的储存单元比最先进的DARM的储存单元更小，所以一旦工艺和芯片达到DRAM的水平时，相变内存的制造成本将能够降到DRAM成本之下。随着工艺技术节点和晶圆直径达到DRAM的水平，预计到2015至2016年，相变内存的每GB价格将低于DRAM的平均价格。