相变存储器的存储技术教学研究

李华

(清远市技师学院，广东 清远 511517)

相变存储器的存储技术教学研究

李华

(清远市技师学院，广东 清远 511517)

相变存储器的诞生，是人类存储技术的一个里程碑，它改善了传统D RA M存储方式的缺陷，进一步拓展了计算机内存，使计算机结构发生了创新性的变革。本文从相变存储器的概念入手，对其相变存储技术进行初步的分析研究，总结它的规律和特点，以期为今后的存储技术教学带来一些有益的帮助。

相变存储器；存储系统；存储技术

1 引言

随着计算机技术的进一步发展，人类全面步入了数字时代，科技已经给人们的生活带来了翻天覆地的变化。其中最显著的一点，就是信息的创造、接收和传输，无数的信息构成了现代社会的主要框架，是人与人之间进行沟通的主要手段。可以说，我们现在身处于一个以信息为载体的巨大的数据社会之中。海量的数据虽然给人们的生活带来了便利，却也使得计算机及相应的存储系统受到了严峻的考验，如何提高计算机的内存容量及运算速度，加强内存的可靠性，成为当前计算机行业面临的最大难题。我们熟知的内存技术DDR2(Double Data Rate 2)及DDR3已经逐渐淘汰，现在DDR4的技术已经十分成熟，但是在面对不断增长的信息数量时，DDR4内存技术也开始遇到瓶颈。这既有DRAM(动态随机存储器)的尺寸已经达到极限，以目前的制作工艺来说难以再有突破的问题；也有信息载入和数据刷新所导致的能耗随着内存容量的增加而扩大的问题。因此，人们开始转而研究微观电子技术，例如NVM(非易失存储器)、STT—RAM (自旋转移矩磁随机存储器)，MRAM(磁性随机存储器)和Fe-RAM(铁电随机存储器)等，都是新型存储器的典型代表，其中PCM(Phase Change Memory)，即相变存储器，以在实践应用中的表现受到了广泛好评，发展前景十分看好。本文在介绍相变存储器的概念及应用的基础上，进一步探讨其教学方法，为相变存储器的教学应用积累一定的经验。

2 相变存储器的概念与应用

相变存储器是一种新型非易失存储器，它由硫族化合物材料组成，这种材料具有可逆转的物理状态，将其应用于信息存储技术中，使得存储器具备了非易失性、存储密度高、使用寿命长、工艺尺寸小、读写速度快、功耗低等优点。这种可逆转的物理状态其实就是存储器的介质材料在适当条件下会在非晶体状态和晶体状态之间发生转变，在转变的过程中两种状态都会呈现出各自的电阻特性和光学特性。因此，可以利用“0”和“1”来表示这两种状态。应用在相变存储器中，“l”就表示一个中温结晶的过程：通过对硫族化合物施加一个强度适中、时间较长的电脉冲，使其持续加热直至温度上升到中温（即温度以上、溶化温度以下）从而导致结晶，这个中温结晶的过程也被称为SET过程。“0”则表示一个高温淬火的过程：对硫族化合物施加一个强度很高但时间较短的电脉冲，使材料温度迅速上升到熔点之上，然后迅速进行淬火（即迅速降温），材料将由熔融状态进入非晶体状态，这个高温淬火的过程被称为RESET过程。尽管相变存储器的概念相对复杂，对于高职院校的学生来说不易于理解和掌握，但是其广泛的应用前景，能够为学生今后的学习和发展提供重要的帮助，值得进行深入的教学研究。

相变存储器在实际环境中的表现稳定，各种性能优良，是各大厂商和研究机构的重点研究对象。可以肯定的是，未来存储系统的发展趋势将会由它来主导。目前来说，主要是作为计算机系统的内存和外存。相比较DRAM而言，PCM作为内存的写延迟要高出10倍，但是它具有非易失性，并且存储密度较大，能耗相对较小，这使得它在需要大容量低能耗的系统中更具竞争优势。与Flash技术相比，PCM的运算速度和使用寿命都较好，且工艺尺寸较低，使得PCM更符合当前海量存储系统高速率、低功耗的要求。PCM在其他新环境中的应用也很广泛，它的非易失性和良好的读写性能使其在数据恢复和检查点信息中表现出色，而其稳定的抗辐射特性在航空航天领域也有很大用处；PCM在移动智能终端中的应用，甚至有可能会再次引发手机行业的革命。这些例子都说明了相变存储器在当今社会乃至未来社会中所扮演的重要角色，因此在高职院校中进行相变存储器的教学，是十分必要的。

3 PCM内存技术研究

3.1 直接内存技术

直接内存技术尽管出现较早，但是其缺点明显，在实际应用中的表现不佳。特别是其概念相对抽象，对于高职院校来说，教学难度较大。针对容量增加导致存储性能降低的问题，有学者提出了基于MMS(Morphable Memory System)框架的PCM内存技术，该技术能够在内存中有效整合PCM设备，并通过检测负载来明确各个设备的存储资源需求，然后进行重新分配。该框架能够进行多层次的数据处理，即当负载较少，所需内存不高时，它能够使PCM设备按照单层单元的形式运行，以降低数据处理的延迟，提高读写速度；当负载增加，对内存容量的需求升高时，它就可以恢复到高密度多层次的单元形式运行，最大限度地满足负载需求。需要注意的是，尽管MMS框架使得直接内存技术在设备容量与系统性能之间得到了一定的平衡，但是负载的变化需要复杂精细的硬件控制器来调节，同时还要有高效的管理软件来对数据进行迁移和映射。

PCM具有非易失性，即使系统失去动力，也能够及时保存相关的数据，并等待系统重新启动，但是这个优点却带来了数据安全隐患。一般都要针对每个缓存行进行计数器加密，即每次数据写回缓存行时（例如系统重启），都需要该缓存行的计数器及其他所有缓存行的计数器共同控制才能成功，从而确保数据的安全。教师可以举例来向学生说明，系统好比一个仓库，每个缓存行负责从仓库提取货物，一旦出现退货的情况，就需要该缓存行的管理员（即计数器）进行确认，然后经过所有管理员同意之后才能完成退货。这种贴近生活的例子有助于学生更好地理解抽象的存储系统运行的概念。

3.2 混合内存技术

混合内存技术目前较为流行，在实践中的表现也很出色。有学者研究了将PCM和DRAM混合使用的内存系统，其性能要优于单独的PCM内存。这是因为PCM在读写大量数据的时候，会产生一定的写延迟（存储单元写延迟和漂移延迟的统称），这对PCM内存的性能有着很大的影响：在信息数量增加的情况下，PCM的写延迟会不断增加功耗，导致写操作的数据宽度受到限制；如果想要改变数据宽度，则一定会增加写延迟。加入DRAM之后，数据首先进入DRAM的缓冲区，在检索数据的过程中如果发生页表缺失，则数据直接写入DRAM中；如果页表被修改或者被逐出时，再将数据写入PCM中，即只向PCM写入修改过的缓存行。这样能够明显地改善PCM写操作过多的状况，降低读写数据所带来的写延迟。需要注意的是，两种内存的混合比例是一定的，不能随意变换。教师可以带领学生进行上机操作，自己动手设计两种内存的混合比例，然后根据实验结果找出效果最佳的比例。这样既可以帮助学生巩固理论知识，锻炼动手操作能力；又加深了学生对混合内存技术的理解，无形中提高了教学效果。实验结论为当DRAM的容量占PCM存储设备容量的3%时，混合内存系统的性能可以达到最佳。

4 PCM外存技术研究

4.1 外存技术

研究PCM的外存技术，对于高职院校的学生来说具有更加现实的意义，那就是寻找和发现提高PCM使用寿命的方法。常见的PCM由于具有出色的读写速度，经常会将需要重复读写的日志文件存放其中，以便进一步提高内存的运行速度及数据库的性能，但是这种方法对PCM的损耗十分严重。一些科研团体开发出了PCM和NAND Flash混合的外存结构，用NAND Flash来存储常用的数据页，减轻PCM的存储压力，也避免了NAND Flash处理日志时经常出现的数据拥堵。同时，由于PCM具有支持本地更新的特点，用来存储日志页可以减少因更新而造成的频繁读写。但是这个方案仍然有所不足，那就是对PCM的处理能力依赖过重，所造成的损耗仍然较大。各个学院及企业单位都在积极寻找更加合适的方法，例如在混合外存系统中应用的块映射算法，即WAB—FTL，利用PCM存储映射表，通过延迟映射表条目和减少映射表条目这两种操作机制来对映射表中的位进行保护，尽量减少修改的次数，从而提升PCM的寿命；延迟映射表条目，即Lazy—Merge，可以在替换块被擦除后，将旧的替换块的有效页表及对应的映射表记录复制到新的块中；减少映射表条目，即Cooling—Pool，采用了缓冲池来存储不断更新的映射表记录，以减少对PCM的擦写操作。教师可以就此设置一个实验项目，带领学生们组成团队，深入研究相关方法；提供必要的理论指导，鼓励学生提出一些大胆的设想并付诸实践。在不断探索和操作的过程中，学生相当于参加了一次生动有趣的实习，大大提高了教学质量。

4.2 SCM技术

SCM技术是基于PCM存储器的新型技术，它采用非易失介质来进行存储，存储密度高、存储容量大、功耗也较低，运行速度较快，不需要缓存，也不需要复杂的调度机制，与DRAM相比毫不逊色。同时它还具有非易失性，存储的数据会受到内存硬件机制的保护，避免信息丢失或遗漏。例如断电的时候，内存会自动保存SCM设备中的内容。这个特点在教学应用中具有十分重要的意义，因为它将是存储系统未来发展的主要方向。教师在课堂上要重点讲授这些内容，以保证学生的知识体系得到及时的更新，不会与社会需求脱节。例如学生不仅要知道目前SCM主要用于统一内外存来使用，即可以当内存又可以当外存，其介质类型主要有PCM、MRAM、FeRAM等；还要知道SCM作为内存使用时，可以成为下一级外存的缓存，直接连接CPU来控制硬件管理，降低访问延迟，扩展内存的容量等；作为外存使用时，可以采用软件方式来进行管理，虽然有较高的延迟，但是仍然要比传统的磁盘访问更加出色。

5 总结

以相变存储器为代表的新型存储技术，具有高集成度、按字节寻址能力、非易失性等显著特点，对现有的计算机存储系统产生了重要的影响，甚至会引领未来存储技术的变革。由于计算机技术的不断发展，对存储系统的要求日益增长，大容量、高密度、低能耗、便携式的快速存储设备将成为主流。这种需求也吸引更多的人才投入到了该技术的研究中去，为解决眼前的一些缺点，如读写延时高、擦写次数影响使用寿命等，提供了多种解决办法，努力使其走向完善和实用的高层次。同时，这种新型的存储技术也给计算机系统结构及软件设计方向带来了新的机遇，为计算机技术的创新和变革打下重要的基础。

[1]张鸿斌．基于相变存储器的存储系统与技术综述[J]．计算机研究与发展，2014，51(8)：1647-1662．

[2]冒伟．基于相变存储器的存储技术研究综述[J]．计算机学报，2015，38(5)：944-960．

Review on the Teaching of Storage System Technology of Phase Change Memory

Li Hua
(Qingyuan Senior Technical Institute,Qingyuan 511517,Guangdong)

The birth of phase change memory is a milestone of human storage technology.It improves the defects of traditional DRAM storage and further expands the computer's memory,making innovative changes to the computer architecture.This article starts with the concept of phase change memory,studies on the phase change storage technology preliminarily,summarizes its rule and characteristics,hoping to bring some useful help to the storage technology teaching.

phase change memory;storage system;storage technology

TP333

A

1008-6609(2017)03-0069-03

李华（1981-），男，湖南郴州人，学士，一级实习指导教师，研究方向为计算机教学。