我們的存儲(chǔ)裝置已經(jīng)在過(guò)去的80年中經(jīng)歷了異常激烈的變化，它們變得越來(lái)越難以理解和難以直接讀出，但也變得更小、更快、更穩(wěn)定。但是這并不夠，因?yàn)槿藗儗?duì)于效率的追求永無(wú)止境。現(xiàn)在，一種低耗能、高速度、全固態(tài)的存儲(chǔ)設(shè)備也許會(huì)成為新的流行，而IBM所做出的努力也許能讓這種叫做“相變存儲(chǔ)裝置” (Phase Change Memory，簡(jiǎn)為PCM)的設(shè)備更快地普及開來(lái)。
“相”是指物質(zhì)的狀態(tài)，準(zhǔn)確地說(shuō)，是物質(zhì)系統(tǒng)中具有相同物理性質(zhì)的均勻物質(zhì)部分。同屬固態(tài)，但是碳有金剛石和石墨兩種相，鐵則有四種，其間的區(qū)別在于原子構(gòu)成的不同結(jié)構(gòu)。不同結(jié)構(gòu)就會(huì)導(dǎo)致不同的物理性質(zhì)，就像金剛石是世界上最堅(jiān)硬的物質(zhì)，而石墨卻很軟一樣。人們嘗試?yán)貌煌南嗨憩F(xiàn)出來(lái)的不同物理性質(zhì)來(lái)分別代表0和1，這種存儲(chǔ)方式就被稱做“相變存儲(chǔ)”。
1960年，美國(guó)發(fā)明家Stanford Ovshinsky博士發(fā)現(xiàn)了一些玻璃在相變時(shí)電阻也會(huì)發(fā)生變化，而這種電阻變化是可逆的；幾年后，他又發(fā)現(xiàn)一些材料在表現(xiàn)為不同的相時(shí)，對(duì)激光的反射率也有不同。這些發(fā)現(xiàn)意味著人們可以通過(guò)電流或者激光來(lái)測(cè)出物質(zhì)的相，也帶來(lái)了存儲(chǔ)設(shè)備開發(fā)的新思路。Ovshinsky創(chuàng)立了“能量轉(zhuǎn)換裝置”公司，并且和Intel的創(chuàng)始人之一、提出了著名的“摩爾定律”的Gordon Moore合作，在1970年制造出第一塊半導(dǎo)體相變存儲(chǔ)器。
當(dāng)時(shí)是晶體管的黃金時(shí)代，相變存儲(chǔ)器的時(shí)機(jī)尚未到來(lái)。1980年代，出于對(duì)可擦寫CD的需求，相變存儲(chǔ)裝置迅速變成了大型產(chǎn)業(yè)—在不同的相中，材料的反射率不同，光驅(qū)的讀取頭便可以分辨出在當(dāng)前激光掃描到的區(qū)域上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。后來(lái)，這種技術(shù)也同樣被用在了可擦寫DVD上。
用于可擦寫CD的相變材料能夠在晶體和非晶體狀態(tài)之間轉(zhuǎn)化。當(dāng)對(duì)非晶態(tài)的相變材料緩慢加熱時(shí)，材料會(huì)慢慢變成晶體狀態(tài)，呈現(xiàn)出一種反射特征；而如果對(duì)晶態(tài)的相變材料加熱到熔點(diǎn)以上并且迅速降溫的話，它就會(huì)凝結(jié)成非晶體，呈現(xiàn)出另一種反射特征。
當(dāng)然，要加熱相變材料，并不只有激光一種方式，電也是一個(gè)好選擇。半導(dǎo)體相變存儲(chǔ)器件就是用電流加熱相變材料，其過(guò)程和可擦寫CD十分相似，但是使用的材料卻大有不同。今天廣泛使用的是一種簡(jiǎn)稱為GST的材料，它由鍺銻碲混合而成，三種元素的原子數(shù)量比是2：2：5。GST的特征是在不同的相時(shí)，電阻率會(huì)有明顯的變化，通過(guò)測(cè)量流過(guò)GST的電流強(qiáng)度，就可以判斷出當(dāng)前存儲(chǔ)的是0還是1。這是一種通過(guò)操縱原子排列而實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)的設(shè)備。
現(xiàn)在相變存儲(chǔ)器的通用設(shè)計(jì)是把一層GST夾在頂端電極與底端電極之間，并且由底端電極延伸出的加熱電阻接觸GST層。電流注入加熱電阻與GST的連接點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生的熱量會(huì)引起相變，相變后的材料性質(zhì)由電流、電壓和時(shí)間決定，可以用較強(qiáng)的電流寫入，用較弱的電流讀取。
這種存儲(chǔ)裝置有許多優(yōu)勢(shì)。它的使用壽命達(dá)到1000萬(wàn)次寫入周期，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于企業(yè)級(jí)閃存芯片的3萬(wàn)次；它可以存儲(chǔ)的最小單位是1位，這也是人們用來(lái)計(jì)量數(shù)據(jù)的最小單位。它不像內(nèi)存那樣需要持續(xù)的電流供應(yīng)才不會(huì)丟失數(shù)據(jù)，讀取和寫入的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)閃存，而帶寬卻能夠與內(nèi)存媲美。無(wú)論怎么看，它都像是人們想要的那種存儲(chǔ)設(shè)備。
但是，目前依然還有困擾著相變存儲(chǔ)器發(fā)展的問(wèn)題：它的每個(gè)存儲(chǔ)單元只能存儲(chǔ)一位，成本不低而容量不高，目前只是小規(guī)模地適用于手機(jī)上，還不適合用于計(jì)算機(jī)。IBM蘇黎世研發(fā)中心解決的就是這個(gè)問(wèn)題。在6月份于美國(guó)加州蒙特利召開的第三屆美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)國(guó)際存儲(chǔ)設(shè)備工作組會(huì)議上，IBM的研發(fā)工程師提出了多位相變存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)報(bào)告，成功地在每個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)了四種不同的狀態(tài)，讓每個(gè)存儲(chǔ)單元都能存儲(chǔ)兩位數(shù)據(jù)。
這塊PCM實(shí)驗(yàn)芯片使用90納米工藝制造，擁有20萬(wàn)個(gè)存儲(chǔ)單元，已經(jīng)經(jīng)過(guò)了5個(gè)月的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)，證明達(dá)到了企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)設(shè)備的要求。IBM的研發(fā)人員改進(jìn)了整個(gè)寫入流程，以“迭代式寫入”的方法精確地控制存儲(chǔ)單元的電阻率，還利用先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)提高了存儲(chǔ)的可靠性。
“組織和消費(fèi)者越來(lái)越傾向于云計(jì)算模式。”蘇黎世研發(fā)中心的存儲(chǔ)技術(shù)部門經(jīng)理Haris Pozidis說(shuō)，“我們需要更強(qiáng)、更高效，而在價(jià)格上也可以接受的存儲(chǔ)技術(shù)。通過(guò)這項(xiàng)研究，我們?cè)谙嘧兇鎯?chǔ)實(shí)用化方面邁出了一大步。”
的確如此。下一個(gè)新時(shí)代需要這樣的設(shè)備，更好的多位相變存儲(chǔ)器甚至可能親手把它的前輩—同樣誕生于IBM研發(fā)實(shí)驗(yàn)室的硬盤—徹底埋葬。但是那應(yīng)該不會(huì)在最近發(fā)生。根據(jù)IBM的計(jì)劃，多位相變存儲(chǔ)器的量產(chǎn)應(yīng)該會(huì)是2016年的事了。到底未來(lái)會(huì)不會(huì)是相變存儲(chǔ)器的天下，讓我們?cè)俚葞啄辍?/p>
