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嵌入式系统/ARM技术中的浅谈相变存储器--非易失性计算机存储器技术
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2020-10-22
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相变存储器(phase change memory),简称PCM,利用硫族化合物在晶态和非晶态巨大的导电性差异来存储数据的。初次听到"相变"这个词,很多读者朋友会感到比较陌生。其实,相(phase)是物理化学上的一个概念,它指的是物体的化学性质完全相同,但是物理性质发生变化的不同状态。例如水有三种不同的状态,水蒸气(汽相),液态水(液相)以及固态水(固相)。物质从一种相变成另外一种相的过程叫做‘相变’例如水从液态转化为固态。在很多物质中相变不是大家想象的只有气,液,固,三相那么简单。例如我们这里介绍的相变存储器就是利用特殊材料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的。所以
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储器技术储器技术
相变存储器(phase change memory),简称PCM,利用硫族化合物在晶态和非晶态巨大的导电性差异来存储
数据的。初次听到"相变"这个词,很多读者朋友会感到比较陌生。其实,相(phase)是物理化学上的一个概
念,它指的是物体的化学性质完全相同,但是物理性质发生变化的不同状态。例如水有三种不同的状态,水蒸
气(汽相),液态水(液相)以及固态水(固相)。物质从一种相变成另外一种相的过程叫做‘相变’例如水从液
态转化为固态。在很多物质中相变不是大家想象的只有气,液,固,三相那么简单。例如我们这里介绍的相变
存储器就是利用特殊材料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的。所以
相变存储器(phase change memory),简称PCM,利用硫族化合物在晶态和非晶态巨大的导电性差异来存储数据的。
初次听到"相变"这个词,很多读者朋友会感到比较陌生。其实,相(phase)是物理化学上的一个概念,它指的是物体的化学
性质完全相同,但是物理性质发生变化的不同状态。例如水有三种不同的状态,水蒸气(汽相),液态水(液相)以及固态水
(固相)。物质从一种相变成另外一种相的过程叫做‘相变’例如水从液态转化为固态。在很多物质中相变不是大家想象的只有
气,液,固,三相那么简单。例如我们这里介绍的相变存储器就是利用特殊材料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的。所以我们称之为相变存储器。
何为 何为PCM,它是如何工作的?,它是如何工作的?
中文称脉码调制,由A.里弗斯于1937年提出的,这一概念为数字通信奠定了基础,60年代它开始应用于市内电话网以扩
充容量,使已有音频电缆的大部分芯线的传输容量扩大24~48倍。到70年代中、末期,各国相继把脉码调制成功地应用于同
轴电缆通信、微波接力通信、卫星通信和光纤通信等中、大容量传输系统。80年代初,脉码调制已用于市话中继传输和大容
量干线传输以及数字程控交换机,并在用户话机中采用。
脉冲编码调制就是把一个时间连续,取值连续的模拟信号变换成时间离散,取值离散的数字信号后在信道中传输。脉冲编
码调制就是对模拟信号先抽样,再对样值幅度量化,编码的过程。抽样,就是对模拟信号进行周期性扫描,把时间上连续的信
号变成时间上离散的信号,抽样必须遵循奈奎斯特抽样定理。该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息,也就是说
能无失真的恢复原模拟信号。它的抽样速率的下限是由抽样定理确定的。抽样速率采用8Kbit/s。量化,就是把经过抽样得到
的瞬时值将其幅度离散,即用一组规定的电平,把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示,通常是用二进制表示。量化误差:量
化后的信号和抽样信号的差值。量化误差在接收端表现为噪声,称为量化噪声。 量化级数越多误差越小,相应的二进制码位
数越多,要求传输速率越高,频带越宽。 为使量化噪声尽可能小而所需码位数又不太多,通常采用非均匀量化的方法进行量
化。 非均匀量化根据幅度的不同区间来确定量化间隔,幅度小的区间量化间隔取得小,幅度大的区间量化间隔取得大。
这些合金材料的晶态和非晶态电阻率大小的差异能够存储二进制数据。高电阻的非晶态用于表示二进制0;低电阻的晶态表
示1。最新的PCM设计与材料能够实现多种不同的值。
非晶态与晶态 非晶态与晶态
简单介绍非晶态与晶态之间的差异有助于我们搞清楚PCM器件的工作原理。
在非晶态下,GST材料具有短距离的原子能级和较低的自由电子密度,使得其具有较高的电阻率。由于这种状态通常出
现在RESET操作之后,我们一般称其为RESET状态,在RESET操作中DUT的温度上升到略高于熔点温度,然后突然对GST
淬火将其冷却。
在晶态下,GST材料具有长距离的原子能级和较高的自由电子密度,从而具有较低的电阻率。由于这种状态通常出现在
SET操作之后,我们一般称其为SET状态,在SET操作中,材料的温度上升高于再结晶温度但是低于熔点温度,然后缓慢冷却
使得晶粒形成整层。晶态的电阻范围通常从1千欧到10千欧。晶态是一种低能态。
PCM器件的结构器件的结构
在光纤通信系统中,光纤中传输的是二进制光脉冲“0”码和“1”码,它由二进制数字信号对光源进行通断调制而产生。而数
字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生的,称为PCM(pulsecodemodulation),即脉冲编码调制。这种
电的数字信号称为数字基带信号,由PCM电端机产生。现在的数字传输系统都是采用脉码调制(PulseCodeModulation)体
制。PCM最初并非传输计算机数据用的,而是使交换机之间有一条中继线不是只传送一条电话信号。PCM有两个标准(表现
形式)即E1和T1。
图1中的原理图给出了一种典型GST PCM器件的结构。一个电阻连接在GST层的下方。加热/熔化过程只影响该电阻顶端
周围的一小片区域。擦除/RESET脉冲施加高电阻即逻辑0,在器件上形成一片非晶层区域。擦除/RESET脉冲比写/SET脉冲
要高、窄和陡峭。SET脉冲用于置逻辑1,使非晶层再结晶回到结晶态。
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