更新时间：2022-08-25 18:51
PCRAM 又称 PCM、OUM（Ovonic UnifiedMemory）和 CRAM（Chalcogenide Random AccessMemory），是一种利用相变材料（一种或多种硫系化合物薄膜）作为存储介质，通过相变材料在电流的焦耳热作用下，在结晶相态（crystalline）和非晶相态（amorphous）之间快速并可逆的转换时，会呈现出的不同电阻率这一特性来实现数据存储的 NVM 技术。
近年来，非易失性存储技术在许多方面都取得了一些重大的进展，为计算机系统的存储能效提升带来了新的契机，研究者们建议采用新型NVM技术来替代传统的存储技术，以适应计算机技术发展对高存储能效的需求。以相变随机存储器（PCRAM）为代表的多种新型NVM技术因具备高集成度、低功耗等特点而受到国内外研究者的广泛关注。特别地，PCRAM因其具备非易失性、可字节寻址等特性而同时具备作为主存和外存的潜力，在其影响下，主存和外存之间的界限也正在逐渐变得模糊，甚至有可能对未来的存储体系结构带来重大的变革。因此，PCRAM被认为是极具发展前景、最有可能完全替代DRAM的新型NVM技术之一。
有关PCRAM技术的研究最早可以追溯至1917年，当时 Waterman 发表论文称发现能够逐步改变硫化物 的电导率，并使其在两种不同相态时分别呈现出高电阻率和低电阻率两个不同电学特性等一些相变材料所具有的重要特性。但是，由于受到当时的科研条件限制，以及缺乏使相变材料实现熔融淬火的相关技术， Waterman 没有能够进一步揭示相变材料的微观晶格结构变化，并且无法使相变材料的电导率实现逆变。尽管由于相变材料的电导率不可逆等因素限制，这项研究在当时没有引起学术界和产业界的足够的重视，研究人员选择使用其他的一些技术用于存储数据（例如 20 世纪30 年代的机械穿孔卡、20 世纪 50 年代的磁芯存储器等），但是 Waterman 的开创性工作使得相变材料成为存储材料科学研究的一个新分支，引起了学术界和产业界的关注。1962 年，Pearson 等人发现了碲砷玻璃存在相变现象，并撰写论文正式提出了“相变”理论。1966 年，Ovshinsky 第一次申请了相变存储技术方面的专利。1968 年，Ovshinsky的研究成果打破了电导率不可逆变这一制约将相变材料应用于数据存储领域的瓶颈，并公开发表了一篇关于相变理论研究的论文，他在文中详细描述了一种相变材料在电场的作用下，能够可逆地在非晶相状态和结晶相态之间实现相互快速转换，并且其在非晶相态时表现出高阻特性，在结晶相态时表现出低电阻特性，因此可以利用非晶相态和结晶相态分别表示数据“0”和“1”，用于存储二进制信息，开启了相变材料及相变存储器件相关研究的先河。1970 年，Neale 和 Moore发表论文，详细描述了一个具有 256bit 容量的PCRAM 存储器件。
目前国内外都已经研制出实现读、写、擦全部功能的芯片，PCRAM 开始逐渐步入产业化进程。物质是能够以多种相态存在的，相变材料至少存在非晶相态（分子结构杂乱无序）和结晶相态（分子结构整齐有序）两种相态。处于非晶相态和结晶相态的相变材料，分别在光学性能和电学性能等方面都具有非常明显的差异。于是，人们利用相变材料在不同相态时具有的这些特性差异来实现数据存储，利用相变材料的光学性能差异来实现数据存储的是相变光盘（CD、DVD和蓝光光盘等），而利用相变材料的电学性能差异来实现数据存储的是 PCRAM。当前，学术界和产业界研究最多、且相对较为成熟的相变材料是 Ge-Sb-Te 系列合金。这些相变材料不仅光学性能优异，而且电学性能也较为突出，非晶相态与结晶相态之间的电阻系数差异非常大，具备多值存储潜力，特别是掺杂 In，Sn，Bi，Si，C 和 N 等元素后，各方面的特性均得到较大幅度的提升，因此已经被广泛用于 PCRAM 研究和器件制备。 此外，PCRAM 器件结构不同，在微缩能力和功耗等方面也会有细微差别。
当前研究的 PCRAM 主要器件结构有 T 型结构（即蘑菇型结构）、μ-Trench结构、边缘接触型结构和平面结构等。其中，T 型结构是目前学术界和产业界广泛采用的器件结构，主要由底电极、相变材料层和顶电极等三个部分构成。T 型结构的 PCRAM 存储单元如图1。
PCRAM 的数据存储功能是通过给器件中的一种或多种硫系化合物薄膜施加不同强度和不同时长的电脉冲，使其在不同程度电流焦耳热的作用下分别呈现出不同电阻特性来实现的。相变材料在吸收一定量的热能后，会在非晶相态和结晶相态之间实现快速相互转变，并表现出非常明显的电阻系数差异。相变材料在非晶相态时呈现出半导体特性，具有较高的电阻值；在结晶相态时呈现出半金属特性，具有较低的电阻值。 因此， 可以分别通过相变材料在非晶相态和结晶相态时呈现出的不同电阻特性来分别表示需要存储的数据。
PCRAM 具有较好的微缩能力。研究表明，基于 20nm 工艺节点， PCRAM 技术的存储密度大约是 DRAM 技术的 16 倍。 特别地，普通的 PCRAM 存储单元根据相变材料在非晶相态和结晶相态两种相态时呈现出的不同电阻特性来实现二值数据存储，但是某些相变材料电学性能非常优异，在非晶相态和结晶相态两种相态时表现出的电阻差异可以达到 5 个数量级，具备多值存储潜力。PCRAM 多值存储技术就是利用相变材料在不同相态时高、低电阻之间的巨大差异，在单个存储单元上实现两个及以上的存储状态，可以在制程工艺不变的情况下使存储单元容量实现倍增的效果，从而能够显著地提高器件的集成度，大幅度地降低存储成本，是当前PCRAM 存储技术的重要研究方向之一。PCRAM 存储单元实现单阶存储（即二值存储）和二阶存储（四值存储）的电阻分布和单阶存储单元与二阶存储单元之间的转换如图2所示。
PCARM具有良好的非易失性。研究表明，PCRAM不仅泄露功耗非常低，而且相变材料的状态也非常稳定，能够在温度低于120摄氏度的环境里，在掉电的条件下可以保持10年以上不变，从而具有非易失性。
研究表明，PCRAM 具有容量大、集成度高、速度快、功能低和成本低等优点，特别是与新型 CMOS 工艺兼容，在 5nm技术节点前不存在物理限制，具有广泛的应用价值，是极具发展潜力的新型 NVM 之一。当前，PCRAM 已经逐步量产并开始投入商业应用，然而，较高品质的相变材料制备，以及相变材料在结晶相态和非晶相态之间相互转换时所产生的高功耗是制约其商用应用的瓶颈。特别是写操作延时大 （60ns~120ns， 大约是读操作延时的 5~10 倍）、写操作功耗高（大约是读操作功耗10倍）和写耐久性差是 PCRAM 进一步发展所亟需解决的问题。
综上所述可以得出，与SRAM和DRAM相比， PCRAM具有非易失性、存储密度更高、不需要刷新、抗辐射干扰等优点； 与 Flash 相比， PCRAM 具有读写速度快、使用寿命长、可以执行位操作等优点；与其它新型非易失性存储器相比，PCRAM 具有持久性强、功耗低或者容量大、制造工艺简单、研究相对更加成熟等优点；与 FeRAM 相比，具有存储密度高、读操作非破坏性等优点；与 STT-MRAM 相比，具有功耗低、稳定性强等特点；与 RRAM 相比，具有材料制备成熟、存储密度高等优点。特别地，DRAM与FLASH进一步缩小会与新型CMOS兼容存在较大的技术瓶颈， 而 PCRAM 与新型 CMOS 技术兼容，并且具有良好的微缩能力，有研究表明在40nm 技术节点后能够延续四代以上。 PCRAM 具有的优势为其在存储领域大规模应用奠定了坚实的基础，是最有发展前景，也最有可能完全替代DRAM的新颖存储技术之一。 然而， PCRAM也存在着一些明显不足之处，特别是写操作速度无法与 DRAM 相媲美，写耐久性也与 DRAM 相差较大等。特别是写耐久性差，是将其大规模应用于计算机系统所面临的主要障碍之一，目前国内外研究人员正在研究一些解决方案来应对。
与传统的存储器件相比，FeRAM、MRAM、RRAM和PCRAM等新型存储技术具有集成度高、功耗低、读写访问速度快、非易失、零或低空闲能耗、字节级编址、体积小和抗震等许多优良特性，为计算机的发展和存储能效的提高带来了新的契机，推动着计算机系统结构的变革。特别是PCRAM 因其具有的独特优势， 已经率先开始量产并投入商业应用，在新型数据中心和消费性电子产品市场上占据着非常重要的位置，极有可能成为下一代主流的存储技术。