IBM科學家實現存儲器重大突破

IBM研究院（IBM Research）的科學家採用一種較新的存儲技術，即被稱為相變存儲（PCM）技術，首次展示了每個單元穩定的存儲3比特數據的能力。

目前常用的存儲器主要有DRAM、硬碟驅動器以及普遍使用的快閃記憶體盤（U盤）。

但在過去的幾年，PCM因其綜合了高速讀/寫、耐用和非易失性及高存儲密度引起了業界的關注，有潛力成為一種通用存儲技術。

例如，與DRAM不同，PCM在斷電時不會丟失數據，並且這種技術可實現至少1000萬次重複擦寫次數，而普通的USB快閃記憶體記憶棒（U盤）最多只能重複擦寫3000次。

這項研究突破可提供快速簡便的存儲，以滿足移動設備和物聯網成幾何級數劇增的海量數據。

應用

IBM科學家認為，PCM存儲器可以獨立使用，或者用作混合應用設備的一部分，此類混合應用設備整合了PCM和快閃記憶體，以PCM作為速度極快的高速緩衝存儲器（Cache）。

例如，手機的作業系統可儲存在PCM中，使手機可在幾秒鐘內開機。

在企業領域，整個資料庫都可儲存在PCM中，可為時間要求苛刻的在線應用（例如金融交易）提供超快的查詢處理。

這項技術還可通過減少在疊代之間讀取數據時導致的延遲開銷，大大提高採用大型數據集的機器學習算法的速度。

PCM的工作原理

PCM材料具有兩種穩定的狀態，非晶相（沒有明確的結構）和晶相（具有明確的結構），分別具有較低和較高的導電率。

如果想在PCM單元上儲存"0"或"1"，即大家熟知的比特，我們可在這種材料上通上較高或者中等電流。

"0"可編程設定為在非晶相下寫入，而"1"在晶相下寫入，或者相反。

然後通上低電壓，將這個位讀取出來。

這就是可重寫藍光光碟（Blue-ray Discs）*儲存視頻的原理。

先前，IBM以及其它研究機構的科學家已成功展示了在PCM上每個單元存儲1個比特的能力，但今天在巴黎的 IEEE國際存儲器研討會上，IBM的科學家首次展示了在高溫下的64k單元陣列上實現每個單元成功儲存3比特的能力，並且其重複擦寫次數突破了100萬次。

"相變存儲器是首款既具有DRAM特性又具有快閃記憶體特性的通用存儲器裝置，因此可解決業介面臨的重大挑戰之一，"論文作者、IBM研究院非易失性存儲器研究部門經理Haris Pozidis博士在蘇黎世對媒體說，"實現每單元3比特（3位）的存儲能力是一個重要的里程碑，因為在這種存儲密度下，PCM的成本將會大大低於DRAM的成本並且接近快閃記憶體的成本。

"

為了實現多位存儲，IBM的科學家開發出了兩項創新性的使能技術：一套不受偏移影響單元狀態測量方法以及偏移容錯編碼和檢測方案。

更具體地說，這種新的單元狀態測量方法可測量PCM單元的物理特性，檢測其在較長時間內是否能保持穩定狀態，這樣的話其對偏移就會不敏感，而偏移可影響此單元的長期電導率穩定性。

為了實現一個單元上所儲存的數據在環境溫度波動的情況下仍能獲得額外的穩健性（additional robustness），IBM的科學家採用了一種新的編碼和檢測方案。

這個方案可以通過自適應方式修改用來檢測此單元所存儲數據的電平閾值，使其能隨著溫度變化引起的各種波動而變化。

因此，這種存儲器寫入程序後，在相當長的時間內都能可靠地讀取單元狀態，從而可提供較高的非易失性。

"通過綜合這些進步，可解決多位PCM的關鍵挑戰，包括偏移、可變性、溫度敏感性和重複擦寫次數，"IBM院士（IBM Fellow）Evangelos Eleftheriou博士說道。

IBM的科學家所使用的實驗用多位PCM晶片連接在一塊標準的集成電路板上。

該晶片由一個4-bank 內存交錯結構的2 × 2 Mcell 陣列組成。

這款存儲器陣列大小為2 × 1000 微米 （μm）× 800 微米（μm）。

PCM單元採用摻雜硫族化物合金製作而成，集成在標準原型晶片上，該晶片作為90nm CMOS基線技術中的特徵化載具。

OpenPOWER

在3月份於美國加州聖何塞舉行的2016 OpenPOWER峰會（2016 OpenPOWER Summit）上，IBM的科學家通過CAPI（一致性加速處理器接口）協議，首次展示了安裝在基於POWER8的伺服器（由IBM和泰安計算機公司製造）上的相變存儲器。

這項技術利用了PCM的低延遲和小存取粒度、OpenPOWER結構的效率和CAPI協議。

在展示中，科學家在PCM晶片和POWER8處理器之間測得一致性很高的極低128字節讀/寫延遲。