相变存储器在智能电表中的应用

美光（Micron）亚洲区嵌入式业务市场部 刘群

现场观众提问

在智能电表当中，随着客户要求的存储信息的增加，需要一个低成本、可靠性高的系统进行数据的存储。

相变存储器(PCM)技术的基本原理

相变存储器就是PCM，相变存储器利用六族元素的合金组成的物质，我们利用这种物质在晶态和非晶态进行转换来存储信息。我们的材料是GST的合金。用硫做化学介质其实早已投入商用，所以说，这个化合物不是全新没有经过商业验证的材料，已经在商业大规模使用。

相变存储器的存储主要是非晶态和晶态之间的变化来存储信息。在晶态的过程当中，有一个比较大的电流，比较小的电阻。非晶态的时候有一个相对来讲比较大的电阻。相变存储器利用电阻的变化存储数据。数据读取的时候我们测量电阻变化。

相变存储器有一个特点是没有电子，其他的存储器介质都要应用电子进行存储。相变存储器利用焦耳效应加热进行写入。我们利用温度和温度保持的时间控制存储材料变成晶体或非晶体两个状态。这就像是一个脉冲的概念，这个脉冲非常快，都是纳秒级。

相变存储器有大优势

位修改性。大家知道现在的一些存储器产品不具备位修改特性。比如我在客户端把一个地址的数据从B9H改到5A，我对于客户一个月的总用量进行更新，在固定的地址修改一个数据就是这样的应用。这样一个应用在Flash那边比较麻烦，Flash不能直接从0写到1，但是PCM可以这样做的。Flash必须先把Flash当前快的内容备份到XRAM里面，然后进行删除，再把XRAM的数据搬回到Flash里面。由于有了位修改特性，PCM具备写操作速度更快，效率非常高的优点。我们采用PCM，用位写的速度，我们比Flash快9倍的时间。

高写入次数。尤其是高端电表经常要实时写入数据，它对写入次数要求非常高。单个存储单元可达 10的12 次方写入次数。由于我们有更大的存储单元带来制造的缺陷不可避免，也有不同工艺、不同批次的产品造成的一些变量干扰。实际的产品寿命周期目前是可以做到10的六次方到八次方，就是百万到亿这个级别，这个次数基本上可以满足高端电表的要求。但Flash的写入次数，大概在10万次的时候电压就有了比较明显的变化，因此，PCM写入次数远远大于Flash。

成本。这是智能电表设计者非常关心的问题。大家知道所有的半导体器件成本的下降依赖于工艺，就是摩尔定律。目前的Flash器件面临一个问题，50纳米以下以后要考虑自己的可靠性和成本下降的平衡。大家知道Flash都是采用电荷进行存储的。做到50纳米的时候，Flash的电子就非常少了。因此，从工艺范围上看，我们比业界其他的存储技术有更广阔的成本下降空间。以90纳米的相变存储器的产品为基数，如果把它作为基数1比较，包括我们的45纳米成本下降超过一半。

我们与其他存储技术相比较，有几大特性。第一个是位修改性。还有一个特性是非易失性，它对于电源的节省有很大的好处。此外还有成本下降空间大，写入速度快等特性。

相变存储器在智能电表中的应用

目前比较高端的电表存储方案是这样的，除了MCU外，有一个大电容或者一个电池，保证系统发生掉电的时候，他记录这个事件，记录电表的存储器，需要一个电容，现在的设计要100—200毫秒的期间写入数据，主要是现在写入的存储器件。

这样的系统有这么几个问题，第一就是成本。刚才我们有了成本的比较，它的成本比较高，如果组成一个相对比较高端的存储数量就是4兆，成本在4美金左右。还有是供应链和生产的管理。要制造一个电表需要管理三类不同的存储芯片，在供应链的管理方面是一个比较大的问题。另外就是设计的复杂性。因为三类不同的存储器之间有不同的特性，包括接口的速度、操作模式、软件都会带来一些设计的复杂。另外一个问题就是容量有限，如果未来客户要求记录更多的数据，这些存储器的容量就是一个问题，因为目前的容量我们可以看到，一方面1兆字节左右。

我们相变存储器可以给客户带来哪些好处呢?相变存储器主要是用Flash等组成的存储系统，通过我们相变存储器的产品，我们提出的解决方案可以让客户降低成本。还有一个环保，这里的概念怎么理解呢?PCM操作速度比较快，客户使用过程当中不需要那么大的电容保持相对比较长的断电时间。还有一个就是可靠性，PCM的擦写次数高于Flash。

我们目前提供的相变存储器主要分两大类，一大类以并口为主，它的性能都可以达到PCM的性能。另外就是串口，智能电表这块串口是比较普遍的通用接口，在PCM比较普遍，客户设计的过程当中不用做硬件和软件的改动，就可以直接应用我们的PCM产品。这块产品我们也是提供了一个相当高的时钟，比如这里的66兆赫兹，同现在一些产品相比超过10倍的提高。