路在何方？存储技术进化无止无境

闪存将被终结？—IBM/Intel相变内存

        当前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0或1，闪存也不例外。大多数闪存都有一个存放电荷的
部分—“浮栅”，其设计特点是电荷不会泄漏。因此，闪存可保持其存储的数据并且只在读、写或擦掉信息时才需要供电。这种“非易失性”特征是闪存的一大优势，但是在闪存上写入数据要比“易失性”的DRAM或SRAM慢很多，这是它的重大缺陷。其次，闪存存储单元寿命较短，在写入约10万次后就会变得不再可靠，可能导致数据丢失，虽然可以应付普通应用，但对于频繁重入的应用，例如计算机内存、网络的缓冲存储器或存储系统来说，闪存显然还不能胜任。

        相变内存（Phase-Change Memory，PCM，或称PRAM）的出现解决了这些闪存固有的问题。这种内存的处理速度远远高于闪存，并且尺寸和功耗也比闪存小得多，是现有闪存的一种替代方案，在未来可能用来制造高密度非易失性存储器。按照来自IBM的资料，相变存储器的核心是一小片复杂的半导体合金膜，它可以在有序的、具有更低电阻的结晶相位与无序的、具有更高电阻的非结晶相位之间快速转换。因为无需电能来保持这种材料的任意一种相位，所以，相变存储器是非易失性的。该材料的相位是由用来加热该材料的电脉冲的幅度和持续时间设定的。当材料被加热至高于熔点时，合金的高能原子就会到处移动，进行随机排列。突然停止电脉冲会使原子定格在随机的非结晶相位。用大约10纳秒的时间慢慢停止脉冲，原子将有足够的时间重新排列为它们优先选择的有序结晶相位。

        IBM、旺宏电子（Macronix）和奇梦达（Qimonda）早在2005年5月就开始联手在这一领域进行研究。2006年12月，Almaden研究中心宣布研制出一种用于相变内存的新材料—一种锗锑合金 (GeSb)，在其中还加入了少量其它元素以加强其性能。使用这种材料的相变内存转换速度比现有闪存快500倍，功耗却不到一半；最重要的是，当其尺寸缩小为至少22纳米时，依然可实现这些性能。IBM表示，这种相变内存将在2010年后推出。

        由于相变内存的先天优势，已有不少厂商加入了研究的行列。相比IBM，Intel与意法半导体联盟更加积极。2006年9月，Intel展示了一枚初级的128bit相变内存芯片样品，据称使用90纳米工艺制造。与IBM不同，Intel和意法半导体使用了一种基于硫族化物的材料，这种材料只需要65nm工艺就足以支撑，而IBM的相变内存对于制作工艺的要求实在太高，至少在几年内绝对不可能量产。Intel计划于2008年量产相变内存，并且预测：“2009年以后，PRAM将正式替代NOR闪存”。此外，韩国三星电子也开发出了采用90nm工艺制造的512M bit相变内存，2006年9月公开进行展示。只不过其速度还无法达到需要，但是相信三星会逐步改进。

实现内存硬盘？—IBM赛道内存

        巨人就是巨人，这回还是IBM。这种称为“赛道内存”（Racetrack Memory）的新型存储器，其速度超过现有闪存和硬盘，也有可能取代现在的DRAM内存以及闪存，甚至还可以让“内存硬盘”变成现实。

        “赛道内存”的原理是在每块硅片的边缘布置数十亿根超微的线圈，组成所谓的“赛道”，同时使用电流去推动无穷小的精细磁体沿每根线上下运动，从而实现数据0和1的读写。赛道（Racetrack）由很多个磁性单元沿垂直于硅底板的方向连接为来回曲折的线圈，与赛车跑道相似，因此得名（图8、图9）。

        研究小组已经成功让这些精细磁体以每秒100多米的速度沿锯齿形的纳米线上运动。由于微型磁畴（Magnetic Domains）只需在分子以下级别的距离进行运动，因此，人们能够用一个“纳秒”（十亿分之一秒）的极化（Polarization）速度读写磁性区域，这样的速度远远超过了现有的技术读写速度。Parkin说：“经过这么多年的努力，我们最终达到了一个基础性的物理临界点上了。赛道内存将突破现有的规则，将我们带入三维空间。”如果他们能够成功证明赛道内存可行，并且能够实现商用，那么微电子行业从此可以突破二维的摩尔定律的限制。

        赛道内存如果成为现实，其读写速度能够达到或超过现有DRAM的水平，而且大大提高存储密度，在现有同样面积的电子设备当中有可
能会多存储10到100倍的数据。这意味着目前最多能够存储200个小时视频节目的iPod播放器可以存储进120个电视频道一周的节目内容。