李華

(清遠(yuǎn)市技師學(xué)院，廣東 清遠(yuǎn) 511517)

相變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)技術(shù)教學(xué)研究

李華

(清遠(yuǎn)市技師學(xué)院，廣東 清遠(yuǎn) 511517)

相變存儲(chǔ)器的誕生，是人類存儲(chǔ)技術(shù)的一個(gè)里程碑，它改善了傳統(tǒng)D RA M存儲(chǔ)方式的缺陷，進(jìn)一步拓展了計(jì)算機(jī)內(nèi)存，使計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)生了創(chuàng)新性的變革。本文從相變存儲(chǔ)器的概念入手，對(duì)其相變存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行初步的分析研究，總結(jié)它的規(guī)律和特點(diǎn)，以期為今后的存儲(chǔ)技術(shù)教學(xué)帶來(lái)一些有益的幫助。

相變存儲(chǔ)器；存儲(chǔ)系統(tǒng)；存儲(chǔ)技術(shù)

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，人類全面步入了數(shù)字時(shí)代，科技已經(jīng)給人們的生活帶來(lái)了翻天覆地的變化。其中最顯著的一點(diǎn)，就是信息的創(chuàng)造、接收和傳輸，無(wú)數(shù)的信息構(gòu)成了現(xiàn)代社會(huì)的主要框架，是人與人之間進(jìn)行溝通的主要手段。可以說(shuō)，我們現(xiàn)在身處于一個(gè)以信息為載體的巨大的數(shù)據(jù)社會(huì)之中。海量的數(shù)據(jù)雖然給人們的生活帶來(lái)了便利，卻也使得計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的存儲(chǔ)系統(tǒng)受到了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，如何提高計(jì)算機(jī)的內(nèi)存容量及運(yùn)算速度，加強(qiáng)內(nèi)存的可靠性，成為當(dāng)前計(jì)算機(jī)行業(yè)面臨的最大難題。我們熟知的內(nèi)存技術(shù)DDR2(Double Data Rate 2)及DDR3已經(jīng)逐漸淘汰，現(xiàn)在DDR4的技術(shù)已經(jīng)十分成熟，但是在面對(duì)不斷增長(zhǎng)的信息數(shù)量時(shí)，DDR4內(nèi)存技術(shù)也開始遇到瓶頸。這既有DRAM(動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器)的尺寸已經(jīng)達(dá)到極限，以目前的制作工藝來(lái)說(shuō)難以再有突破的問(wèn)題；也有信息載入和數(shù)據(jù)刷新所導(dǎo)致的能耗隨著內(nèi)存容量的增加而擴(kuò)大的問(wèn)題。因此，人們開始轉(zhuǎn)而研究微觀電子技術(shù)，例如NVM(非易失存儲(chǔ)器)、STT—RAM (自旋轉(zhuǎn)移矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器)，MRAM(磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器)和Fe-RAM(鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器)等，都是新型存儲(chǔ)器的典型代表，其中PCM(Phase Change Memory)，即相變存儲(chǔ)器，以在實(shí)踐應(yīng)用中的表現(xiàn)受到了廣泛好評(píng)，發(fā)展前景十分看好。本文在介紹相變存儲(chǔ)器的概念及應(yīng)用的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討其教學(xué)方法，為相變存儲(chǔ)器的教學(xué)應(yīng)用積累一定的經(jīng)驗(yàn)。

2 相變存儲(chǔ)器的概念與應(yīng)用

相變存儲(chǔ)器是一種新型非易失存儲(chǔ)器，它由硫族化合物材料組成，這種材料具有可逆轉(zhuǎn)的物理狀態(tài)，將其應(yīng)用于信息存儲(chǔ)技術(shù)中，使得存儲(chǔ)器具備了非易失性、存儲(chǔ)密度高、使用壽命長(zhǎng)、工藝尺寸小、讀寫速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。這種可逆轉(zhuǎn)的物理狀態(tài)其實(shí)就是存儲(chǔ)器的介質(zhì)材料在適當(dāng)條件下會(huì)在非晶體狀態(tài)和晶體狀態(tài)之間發(fā)生轉(zhuǎn)變，在轉(zhuǎn)變的過(guò)程中兩種狀態(tài)都會(huì)呈現(xiàn)出各自的電阻特性和光學(xué)特性。因此，可以利用“0”和“1”來(lái)表示這兩種狀態(tài)。應(yīng)用在相變存儲(chǔ)器中，“l(fā)”就表示一個(gè)中溫結(jié)晶的過(guò)程：通過(guò)對(duì)硫族化合物施加一個(gè)強(qiáng)度適中、時(shí)間較長(zhǎng)的電脈沖，使其持續(xù)加熱直至溫度上升到中溫（即溫度以上、溶化溫度以下）從而導(dǎo)致結(jié)晶，這個(gè)中溫結(jié)晶的過(guò)程也被稱為SET過(guò)程?！?”則表示一個(gè)高溫淬火的過(guò)程：對(duì)硫族化合物施加一個(gè)強(qiáng)度很高但時(shí)間較短的電脈沖，使材料溫度迅速上升到熔點(diǎn)之上，然后迅速進(jìn)行淬火（即迅速降溫），材料將由熔融狀態(tài)進(jìn)入非晶體狀態(tài)，這個(gè)高溫淬火的過(guò)程被稱為RESET過(guò)程。盡管相變存儲(chǔ)器的概念相對(duì)復(fù)雜，對(duì)于高職院校的學(xué)生來(lái)說(shuō)不易于理解和掌握，但是其廣泛的應(yīng)用前景，能夠?yàn)閷W(xué)生今后的學(xué)習(xí)和發(fā)展提供重要的幫助，值得進(jìn)行深入的教學(xué)研究。

相變存儲(chǔ)器在實(shí)際環(huán)境中的表現(xiàn)穩(wěn)定，各種性能優(yōu)良，是各大廠商和研究機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)研究對(duì)象?？梢钥隙ǖ氖牵磥?lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)將會(huì)由它來(lái)主導(dǎo)。目前來(lái)說(shuō)，主要是作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存和外存。相比較DRAM而言，PCM作為內(nèi)存的寫延遲要高出10倍，但是它具有非易失性，并且存儲(chǔ)密度較大，能耗相對(duì)較小，這使得它在需要大容量低能耗的系統(tǒng)中更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。與Flash技術(shù)相比，PCM的運(yùn)算速度和使用壽命都較好，且工藝尺寸較低，使得PCM更符合當(dāng)前海量存儲(chǔ)系統(tǒng)高速率、低功耗的要求。PCM在其他新環(huán)境中的應(yīng)用也很廣泛，它的非易失性和良好的讀寫性能使其在數(shù)據(jù)恢復(fù)和檢查點(diǎn)信息中表現(xiàn)出色，而其穩(wěn)定的抗輻射特性在航空航天領(lǐng)域也有很大用處；PCM在移動(dòng)智能終端中的應(yīng)用，甚至有可能會(huì)再次引發(fā)手機(jī)行業(yè)的革命。這些例子都說(shuō)明了相變存儲(chǔ)器在當(dāng)今社會(huì)乃至未來(lái)社會(huì)中所扮演的重要角色，因此在高職院校中進(jìn)行相變存儲(chǔ)器的教學(xué)，是十分必要的。

3 PCM內(nèi)存技術(shù)研究

3.1 直接內(nèi)存技術(shù)

直接內(nèi)存技術(shù)盡管出現(xiàn)較早，但是其缺點(diǎn)明顯，在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)不佳。特別是其概念相對(duì)抽象，對(duì)于高職院校來(lái)說(shuō)，教學(xué)難度較大。針對(duì)容量增加導(dǎo)致存儲(chǔ)性能降低的問(wèn)題，有學(xué)者提出了基于MMS(Morphable Memory System)框架的PCM內(nèi)存技術(shù)，該技術(shù)能夠在內(nèi)存中有效整合PCM設(shè)備，并通過(guò)檢測(cè)負(fù)載來(lái)明確各個(gè)設(shè)備的存儲(chǔ)資源需求，然后進(jìn)行重新分配。該框架能夠進(jìn)行多層次的數(shù)據(jù)處理，即當(dāng)負(fù)載較少，所需內(nèi)存不高時(shí)，它能夠使PCM設(shè)備按照單層單元的形式運(yùn)行，以降低數(shù)據(jù)處理的延遲，提高讀寫速度；當(dāng)負(fù)載增加，對(duì)內(nèi)存容量的需求升高時(shí)，它就可以恢復(fù)到高密度多層次的單元形式運(yùn)行，最大限度地滿足負(fù)載需求。需要注意的是，盡管MMS框架使得直接內(nèi)存技術(shù)在設(shè)備容量與系統(tǒng)性能之間得到了一定的平衡，但是負(fù)載的變化需要復(fù)雜精細(xì)的硬件控制器來(lái)調(diào)節(jié)，同時(shí)還要有高效的管理軟件來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遷移和映射。

PCM具有非易失性，即使系統(tǒng)失去動(dòng)力，也能夠及時(shí)保存相關(guān)的數(shù)據(jù)，并等待系統(tǒng)重新啟動(dòng)，但是這個(gè)優(yōu)點(diǎn)卻帶來(lái)了數(shù)據(jù)安全隱患。一般都要針對(duì)每個(gè)緩存行進(jìn)行計(jì)數(shù)器加密，即每次數(shù)據(jù)寫回緩存行時(shí)（例如系統(tǒng)重啟），都需要該緩存行的計(jì)數(shù)器及其他所有緩存行的計(jì)數(shù)器共同控制才能成功，從而確保數(shù)據(jù)的安全。教師可以舉例來(lái)向?qū)W生說(shuō)明，系統(tǒng)好比一個(gè)倉(cāng)庫(kù)，每個(gè)緩存行負(fù)責(zé)從倉(cāng)庫(kù)提取貨物，一旦出現(xiàn)退貨的情況，就需要該緩存行的管理員（即計(jì)數(shù)器）進(jìn)行確認(rèn)，然后經(jīng)過(guò)所有管理員同意之后才能完成退貨。這種貼近生活的例子有助于學(xué)生更好地理解抽象的存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行的概念。

3.2 混合內(nèi)存技術(shù)

混合內(nèi)存技術(shù)目前較為流行，在實(shí)踐中的表現(xiàn)也很出色。有學(xué)者研究了將PCM和DRAM混合使用的內(nèi)存系統(tǒng)，其性能要優(yōu)于單獨(dú)的PCM內(nèi)存。這是因?yàn)镻CM在讀寫大量數(shù)據(jù)的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一定的寫延遲（存儲(chǔ)單元寫延遲和漂移延遲的統(tǒng)稱），這對(duì)PCM內(nèi)存的性能有著很大的影響：在信息數(shù)量增加的情況下，PCM的寫延遲會(huì)不斷增加功耗，導(dǎo)致寫操作的數(shù)據(jù)寬度受到限制；如果想要改變數(shù)據(jù)寬度，則一定會(huì)增加寫延遲。加入DRAM之后，數(shù)據(jù)首先進(jìn)入DRAM的緩沖區(qū)，在檢索數(shù)據(jù)的過(guò)程中如果發(fā)生頁(yè)表缺失，則數(shù)據(jù)直接寫入DRAM中；如果頁(yè)表被修改或者被逐出時(shí)，再將數(shù)據(jù)寫入PCM中，即只向PCM寫入修改過(guò)的緩存行。這樣能夠明顯地改善PCM寫操作過(guò)多的狀況，降低讀寫數(shù)據(jù)所帶來(lái)的寫延遲。需要注意的是，兩種內(nèi)存的混合比例是一定的，不能隨意變換。教師可以帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行上機(jī)操作，自己動(dòng)手設(shè)計(jì)兩種內(nèi)存的混合比例，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果找出效果最佳的比例。這樣既可以幫助學(xué)生鞏固理論知識(shí)，鍛煉動(dòng)手操作能力；又加深了學(xué)生對(duì)混合內(nèi)存技術(shù)的理解，無(wú)形中提高了教學(xué)效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)論為當(dāng)DRAM的容量占PCM存儲(chǔ)設(shè)備容量的3%時(shí)，混合內(nèi)存系統(tǒng)的性能可以達(dá)到最佳。

4 PCM外存技術(shù)研究

4.1 外存技術(shù)

研究PCM的外存技術(shù)，對(duì)于高職院校的學(xué)生來(lái)說(shuō)具有更加現(xiàn)實(shí)的意義，那就是尋找和發(fā)現(xiàn)提高PCM使用壽命的方法。常見的PCM由于具有出色的讀寫速度，經(jīng)常會(huì)將需要重復(fù)讀寫的日志文件存放其中，以便進(jìn)一步提高內(nèi)存的運(yùn)行速度及數(shù)據(jù)庫(kù)的性能，但是這種方法對(duì)PCM的損耗十分嚴(yán)重。一些科研團(tuán)體開發(fā)出了PCM和NAND Flash混合的外存結(jié)構(gòu)，用NAND Flash來(lái)存儲(chǔ)常用的數(shù)據(jù)頁(yè)，減輕PCM的存儲(chǔ)壓力，也避免了NAND Flash處理日志時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)擁堵。同時(shí)，由于PCM具有支持本地更新的特點(diǎn)，用來(lái)存儲(chǔ)日志頁(yè)可以減少因更新而造成的頻繁讀寫。但是這個(gè)方案仍然有所不足，那就是對(duì)PCM的處理能力依賴過(guò)重，所造成的損耗仍然較大。各個(gè)學(xué)院及企業(yè)單位都在積極尋找更加合適的方法，例如在混合外存系統(tǒng)中應(yīng)用的塊映射算法，即WAB—FTL，利用PCM存儲(chǔ)映射表，通過(guò)延遲映射表?xiàng)l目和減少映射表?xiàng)l目這兩種操作機(jī)制來(lái)對(duì)映射表中的位進(jìn)行保護(hù)，盡量減少修改的次數(shù)，從而提升PCM的壽命；延遲映射表?xiàng)l目，即Lazy—Merge，可以在替換塊被擦除后，將舊的替換塊的有效頁(yè)表及對(duì)應(yīng)的映射表記錄復(fù)制到新的塊中；減少映射表?xiàng)l目，即Cooling—Pool，采用了緩沖池來(lái)存儲(chǔ)不斷更新的映射表記錄，以減少對(duì)PCM的擦寫操作。教師可以就此設(shè)置一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，帶領(lǐng)學(xué)生們組成團(tuán)隊(duì)，深入研究相關(guān)方法；提供必要的理論指導(dǎo)，鼓勵(lì)學(xué)生提出一些大膽的設(shè)想并付諸實(shí)踐。在不斷探索和操作的過(guò)程中，學(xué)生相當(dāng)于參加了一次生動(dòng)有趣的實(shí)習(xí)，大大提高了教學(xué)質(zhì)量。

4.2 SCM技術(shù)

SCM技術(shù)是基于PCM存儲(chǔ)器的新型技術(shù)，它采用非易失介質(zhì)來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)密度高、存儲(chǔ)容量大、功耗也較低，運(yùn)行速度較快，不需要緩存，也不需要復(fù)雜的調(diào)度機(jī)制，與DRAM相比毫不遜色。同時(shí)它還具有非易失性，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)受到內(nèi)存硬件機(jī)制的保護(hù)，避免信息丟失或遺漏。例如斷電的時(shí)候，內(nèi)存會(huì)自動(dòng)保存SCM設(shè)備中的內(nèi)容。這個(gè)特點(diǎn)在教學(xué)應(yīng)用中具有十分重要的意義，因?yàn)樗鼘⑹谴鎯?chǔ)系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的主要方向。教師在課堂上要重點(diǎn)講授這些內(nèi)容，以保證學(xué)生的知識(shí)體系得到及時(shí)的更新，不會(huì)與社會(huì)需求脫節(jié)。例如學(xué)生不僅要知道目前SCM主要用于統(tǒng)一內(nèi)外存來(lái)使用，即可以當(dāng)內(nèi)存又可以當(dāng)外存，其介質(zhì)類型主要有PCM、MRAM、FeRAM等；還要知道SCM作為內(nèi)存使用時(shí)，可以成為下一級(jí)外存的緩存，直接連接CPU來(lái)控制硬件管理，降低訪問(wèn)延遲，擴(kuò)展內(nèi)存的容量等；作為外存使用時(shí)，可以采用軟件方式來(lái)進(jìn)行管理，雖然有較高的延遲，但是仍然要比傳統(tǒng)的磁盤訪問(wèn)更加出色。

5 總結(jié)

以相變存儲(chǔ)器為代表的新型存儲(chǔ)技術(shù)，具有高集成度、按字節(jié)尋址能力、非易失性等顯著特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)產(chǎn)生了重要的影響，甚至?xí)I(lǐng)未來(lái)存儲(chǔ)技術(shù)的變革。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的要求日益增長(zhǎng)，大容量、高密度、低能耗、便攜式的快速存儲(chǔ)設(shè)備將成為主流。這種需求也吸引更多的人才投入到了該技術(shù)的研究中去，為解決眼前的一些缺點(diǎn)，如讀寫延時(shí)高、擦寫次數(shù)影響使用壽命等，提供了多種解決辦法，努力使其走向完善和實(shí)用的高層次。同時(shí)，這種新型的存儲(chǔ)技術(shù)也給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計(jì)方向帶來(lái)了新的機(jī)遇，為計(jì)算機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新和變革打下重要的基礎(chǔ)。

[1]張鴻斌．基于相變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)系統(tǒng)與技術(shù)綜述[J]．計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2014，51(8)：1647-1662．

[2]冒偉．基于相變存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)技術(shù)研究綜述[J]．計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，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

李華（1981-），男，湖南郴州人，學(xué)士，一級(jí)實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)教學(xué)。