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在數(shù)據(jù)中心和一些相關(guān)的環(huán)境中，高端系統(tǒng)正在努力跟上數(shù)據(jù)處理需求日益增長的步伐。
在這些系統(tǒng)中存在若干個瓶頸，會影響系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力，其中有一個持續(xù)受到過度關(guān)注的因素，即存儲器和存儲器層級。
SRAM 是存儲器系統(tǒng)的第一層，被集成到處理器中用作高速緩存，以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的快速訪問。 緊接著的下一層是 DRAM，用作主存儲器。 最后是用于存儲的磁盤驅(qū)動器和基于 NAND 的固態(tài)硬盤（SSD）。
2007 年，SSD 應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心中。根據(jù) Forward Insights 的報(bào)道，固態(tài)硬盤能夠幫助減少 DRAM 和磁盤之間日益增長的延遲鴻溝，將兩者之間的延遲差距縮短了 10 倍。但是隨著數(shù)據(jù)的持續(xù)爆炸姓增長，當(dāng)今系統(tǒng)中 DRAM 和 NAND 之間的延遲差距大約為 1,000 倍。
美光科技的新興存儲器產(chǎn)品副總裁 Jon?Carter 表示：“市場現(xiàn)在正試圖以更快的速度處理更多的數(shù)據(jù)。?“我們已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)、存儲堆棧和軟件堆棧上做出了革新，現(xiàn)在的瓶頸是底層內(nèi)存。
事實(shí)上，多年來，業(yè)界一直在尋找一種可以解決延遲差距的新型內(nèi)存類型。理論上，該技術(shù)將具有 DRAM 的性能和閃存的成本和非易失性特性。
有些人把這種內(nèi)存稱為存儲類內(nèi)存。如前所述，下一代存儲器類型包括 MRAM，相變存儲，ReRAM 甚至碳納米管 RAM。
今天，這些技術(shù)中有一些已經(jīng)上市發(fā)售或者進(jìn)入了試制階段。但有些卻因?yàn)槌杀竞图夹g(shù)因素永遠(yuǎn)無法面市。?格羅方德的 CMOS 平臺業(yè)務(wù)部高級副總裁 Gregg?Bartlett 說：“實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)了多種新興的存儲器，有的已經(jīng)問世十年時間了。“新型存儲器總是給出很多承諾。但問題是，你能制造他們嗎？現(xiàn)在，它正在轉(zhuǎn)變成主流技術(shù)。
那么，哪些技術(shù)最終會占上風(fēng)？這里無法給出簡單的答案。為了幫助原始設(shè)備制造商洞察先機(jī)，本文考察了新型存儲器的狀態(tài)以及未來面臨的挑戰(zhàn)。
需要：通用內(nèi)存
幾年前，業(yè)界希望開發(fā)一種所謂的通用內(nèi)存，理論上，這是一個可以取代 DRAM、閃存和 SRAM 的單一設(shè)備。當(dāng)時，通用內(nèi)存有幾個候選技術(shù)，正是當(dāng)下正在爭奪主導(dǎo)地位的這些技術(shù) -MRAM、相變存儲和 ReRAM。
但是，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性和 I / O 需求的增加，根本就不存在一種單一的下一代存儲器類型可以替代現(xiàn)有的存儲器。而且，傳統(tǒng)內(nèi)存容量的擴(kuò)展速度比之前預(yù)想的更快，催生了對下一代存儲器技術(shù)的強(qiáng)烈需求。
然而，由于系統(tǒng)中不同類型存儲器延遲性能的差距不斷擴(kuò)大，所以有空間容納一種新的內(nèi)存類型。新技術(shù)不會取代一切，但它可以在特定的應(yīng)用中發(fā)揮作用，并與今天的存儲器共生共存。
Coventor 首席技術(shù)官 David Fried 說：“我期望這些先進(jìn)的內(nèi)存能夠首先在可以識別或發(fā)揮其獨(dú)特優(yōu)勢的應(yīng)用中找到一席之地。 “我也希望有幾種不同的技術(shù)能成為最終的贏家，就像 SRAM、DRAM 和 NAND 共存了好幾代一樣。
其他人也同意這種看法。 Lam Research 的電介質(zhì)蝕刻產(chǎn)品副總裁 Harmeet Singh 說：“物聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛汽車和云存儲對不同類型存儲器的渴求正在呈爆炸性增長。 “我們預(yù)計(jì)下一代存儲器將與其他存儲器共存，其中，3D NAND 是非易失性存儲器的主力。
但并不是所有的公司或者所有新的內(nèi)存類型都能成功。應(yīng)用材料公司硅系統(tǒng)事業(yè)部存儲器和材料部門總經(jīng)理 Er-Xuan Ping 說：“這些技術(shù)只有一定的生存空間?！?/p>
根據(jù) Ping 的說法，下一代存儲器類型 3D XPoint 可以在某些應(yīng)用中找到用武之地。 “其他的內(nèi)存類型有機(jī)會，但它們需要加快步伐趕上來，”他說。
而在短期內(nèi)，下一代技術(shù)不太可能取代現(xiàn)有的內(nèi)存。 “今天的內(nèi)存已經(jīng)在經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行了高度優(yōu)化。 從功能的單位成本而言，DRAM 很便宜。 NAND 也是，“他說。 “現(xiàn)在的新內(nèi)存要靠成本優(yōu)勢取代那些現(xiàn)有的產(chǎn)品是非常困難的。
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3D?XPoint 和 Z-SSD
現(xiàn)在有幾種方法可以降低系統(tǒng)中存儲器系統(tǒng)的延遲差距。一種方法是使用下一代 NAND 和 / 或新的存儲器類型來開發(fā)更快的 SSD。
今天，SSD 使用平面和 3D?NAND。到了十幾納米節(jié)點(diǎn)后，平面 NAND 就后繼乏力了，從而需要一種替代性的技術(shù)。該替代性技術(shù)就是 3D?NAND，它的結(jié)構(gòu)類似于垂直摩天大樓，水平層堆疊放置，然后使用微小的垂直通道將它們連接在一起。
SSD 已經(jīng)應(yīng)用到了 PC 中，但真正的動靜發(fā)生在企業(yè)應(yīng)用中，SSD 正在取代傳統(tǒng)的磁盤驅(qū)動器?，F(xiàn)在，高端服務(wù)器的磁盤驅(qū)動器的旋轉(zhuǎn)速度高達(dá) 10,000 和 15,000?RPM。
三星半導(dǎo)體 NAND 產(chǎn)品營銷總監(jiān) Ryan?Smith 說：“一般來講，NAND 閃存價格會逐年持續(xù)下降。?“現(xiàn)在，它的價格已經(jīng)變得有足夠的吸引力，SSD 可以迅速取代轉(zhuǎn)速為 10K 和 15K?RPM 的磁盤驅(qū)動器。
一般來說，NAND 有一些問題?；旧?，NAND 器件必須被編程。數(shù)據(jù)被寫入設(shè)備中的一個小塊。通常，可以檢索和讀取數(shù)據(jù)，但不能在塊中更新。要更新它，必須擦除并重寫該塊。
有時，這個過程太慢了，至少對于一些高端應(yīng)用，根據(jù)專家。因此，市場已經(jīng)成熟了一種新的內(nèi)存技術(shù)，可以幫助加快系統(tǒng)。
一般來說，NAND 存在一些問題，主要是 NAND 器件必須進(jìn)行編程操作。數(shù)據(jù)被寫入到設(shè)備中的一個小塊里，通常可以進(jìn)行檢索和讀取，但不能在塊中更新。要更新它，必須擦除并重寫該塊。
根據(jù)專家說法，這個過程有時顯得太慢了，至少對于一些高端應(yīng)用而言就是如此。因此，一種可以幫助加快系統(tǒng)的新型內(nèi)存技術(shù)的市場已經(jīng)準(zhǔn)備就緒了。
能滿足這種市場需求的備選技術(shù)有好幾個，如 3D?XPoint、ReRAM 和現(xiàn)在的 Z-SSD。由英特爾和美光共同開發(fā)的 3D?XPoint 的速度提高了 1000 倍，耐用性比 NAND 高出 1000 倍，是傳統(tǒng)內(nèi)存的 10 倍。
3D?XPoint 填補(bǔ)了 NAND 和 DRAM 之間的延遲差距。英特爾將在企業(yè) SSD 和服務(wù)器的 DIMM 中集成 3D?XPoint 器件。同時，美光也將把這種器件應(yīng)用到企業(yè)級 SSD 中。“3D?XPoint 是一個適合企業(yè)級應(yīng)用的產(chǎn)品，”美光科技的 Carter 說?！澳銜诟叨?SSD 領(lǐng)域看到它，它將用于驅(qū)動任務(wù)關(guān)鍵型的工作負(fù)載。
3D?XPoint 面臨一些挑戰(zhàn)。首先，英特爾和美光需要為該技術(shù)開發(fā)一個全新的生態(tài)系統(tǒng)，比如控制器。然后，英特爾和美光需要降低 3D?XPoint 的成本，但這不會在一夜之間發(fā)生。Objective?Analysis 的分析師 Jim?Handy 說：“我認(rèn)為，在它出現(xiàn)后的頭幾年，應(yīng)該是一個虧損的業(yè)務(wù)。“如果它的定價不低于 DRAM，那么它在內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)中不會有任何意義。
3D?XPoint 究竟是什么？到目前為止，英特爾和美光還沒有公開該技術(shù)的許多細(xì)節(jié)。
最初的 3D?XPoint 器件將達(dá)到 128 吉比特的密度。首代產(chǎn)品將包括兩個堆疊層，由垂直導(dǎo)體進(jìn)行連接。導(dǎo)體具有單獨(dú)的開關(guān)元件和存儲器單元。每個存儲器單元存儲單個位的數(shù)據(jù)。
3D?XPoint 采用的是 19nm 工藝，這是由 4DS 公司內(nèi)存專家和首席技術(shù)官 Seshubabu?Desu 經(jīng)過各種計(jì)算得出的，4DS 是一家 ReRAM 初創(chuàng)公司。Desu 最近做了一個演講，在那里他分享了對于新的內(nèi)存類型的見解。
“（Intel 和美光都堅(jiān)持認(rèn)為 3D?XPoint 不是相變存儲器，”Desu 說?！八麄冋f開關(guān)或選擇器是一個雙向閾值開關(guān)。這是一種基于硫族化合物的材料。
雙向開關(guān)、雙端設(shè)備，容易讓人聯(lián)想到相變存儲器，它有時也被稱為 PCM。PCM 在非晶相和結(jié)晶相中存儲信息。它可以利用外部電壓進(jìn)行可逆切換。
總之，3D?XPoint 結(jié)合了相變存儲器和 ReRAM 的特性?！埃?D?XPoint）具有 PCM 的風(fēng)格，”Desu 說。
根據(jù)專家看法，3D?XPoint 特征尺寸可以從 19nm 縮減到到 15nm，但是將其推到 10nm 及以上仍然頗具有挑戰(zhàn)性?！叭绻闶褂卯?dāng)前的光刻技術(shù)，你可以得到的最大密度大約是 4 或 6 層堆疊。容量為 512 吉比特，“Desu 說。
同時，為了回應(yīng) 3D?XPoint，三星最近推出了一種名為 Z-SSD 的新技術(shù)。Z-SSD 基于 NAND 技術(shù)，目標(biāo)應(yīng)用是高端企業(yè) SSD。Z-SSD 采用了新的電路設(shè)計(jì)和控制器，實(shí)現(xiàn)了比現(xiàn)有高端 SSD 低 4 倍的延遲和 1.6 倍的順序讀取。
三星正在實(shí)驗(yàn)室中探索各種下一代存儲器類型，但該公司表示，為高端應(yīng)用開發(fā)新的更快的 NAND 版本更有意義。“我們選擇基于 NAND 的技術(shù)的原因是因?yàn)樗且环N成熟的技術(shù)，”三星的史密斯說?！拔覀兿脒x擇已經(jīng)進(jìn)入生產(chǎn)階段而且具備效率的技術(shù)，換句話說，它具有市場需要的成本結(jié)構(gòu)。
不過，三星還沒有公布 Z-SSD 背后的細(xì)節(jié)。“Z-SSD 是三星對 3D?XPoint 的反擊，”Web-Feet 研究公司總裁 Alan?Niebel 說?！癦-SSD 使用了 V-NAND（3D?NAND）的一種形式，這可能是具有較短位線的 TLC，使其成為低延遲 NAND。
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嵌入式內(nèi)存之戰(zhàn)
根據(jù) Niebel 的說法，三星同時正在研究其他內(nèi)存類型。“他們會首先出貨（Z-SSD），”他說?！半S后，當(dāng)生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施準(zhǔn)備就緒之后，他們將引入 MRAM 和 ReRAM。
其他公司也在研究 ReRAM，這項(xiàng)技術(shù)據(jù)稱是 3D?NAND 的繼任者。ReRAM 是非易失性的，并且基于在兩個穩(wěn)定的電阻狀態(tài)之間切換的電阻器元件材料。ReRAM 提供了比當(dāng)今閃存更耐用的寫入時間。
ReRAM 技術(shù)的開發(fā)難度很大。此外，3D?NAND 的性能表現(xiàn)可能進(jìn)一步超出之前的預(yù)期，從而延后了 ReRAM 作為 NAND 的可能替代品的需求。
ReRAM 和其他下一代存儲器類型正在進(jìn)入嵌入式市場。今天，嵌入式市場被傳統(tǒng)閃存所主導(dǎo)。嵌入式閃存廣泛應(yīng)用于微控制器（MCU）和其他設(shè)備中。
嵌入式閃存的主流市場是 40 納米及以上工藝的產(chǎn)品，不過該行業(yè)已經(jīng)開始向更小的幾何尺寸轉(zhuǎn)移。UMC 的業(yè)務(wù)管理副總裁 Walter?Ng 說：“開發(fā)方面的重點(diǎn)是 28nm?！?/p>
還有其他一些變化?！坝幸唤M客戶在 MCU 上使用非易失性存儲器。他們必須在特定的時間上市。一般來說，我們正在與那些客戶推動更傳統(tǒng)的解決方案。但他們也對其他一些更獨(dú)特的解決方案感興趣“，Ng 說。
對于嵌入式應(yīng)用，新的解決方案包括 ReRAM、MRAM 和碳納米管 RAM。2013 年，松下發(fā)布了世界上第一個用于嵌入式應(yīng)用的 ReRAM。它集成了一個 180nm 的 ReRAM 器件和一個 8 位控制器。
最近，Adesto 提供了一種基于 ReRAM 的技術(shù)，稱為導(dǎo)電橋接 RAM（CBRAM）。針對 EEPROM 替代市場，Adesto 最新的 CBRAM 比同類存儲器產(chǎn)品功耗低 50 至 100 倍。
另一家公司 Crossbar 也將很快為嵌入式市場提供 8 兆位的 ReRAM?；?40nm 工藝，Crossbar 的 ReRAM 基于 1T1R（一個晶體管 / 一個電阻）技術(shù)。
Crossbar 的營銷和業(yè)務(wù)開發(fā)副總裁 Sylvain?Dubois 說：“嵌入式 ReRAM 比現(xiàn)有閃存技術(shù)更快，功耗更低?！斑@是一個可改變單個比特位的內(nèi)存。要更新存儲內(nèi)容時，你不必擦除一個完整的塊，并編程一個完整的頁面來更新它。
Crossbar 的下一個芯片是基于 28nm 的 1 吉比特 ReRAM。Crossbar 的首席執(zhí)行官 George?Minassian 表示：“它可能適用于高密度嵌入式應(yīng)用和獨(dú)立應(yīng)用?！八鼤驌?NOR 的生存空間。
然后，在另一個開發(fā)案中，富士通最近獲得了 Nantero 的 NRAM 授權(quán)，這是一種基于碳納米管的非易失性 RAM。NRAM 聲稱要比 DRAM 和非易失性閃存更快，而功耗基本上為零。
今天，業(yè)界一邊在繼續(xù)開發(fā)傳統(tǒng)的嵌入式閃存，同時也在開發(fā)下一代技術(shù)。那么下一代存儲器類型會取代傳統(tǒng)的嵌入式閃存嗎？“我不相信，也沒有任何人感覺到這種轉(zhuǎn)換會在一夜之間發(fā)生，我們將從一些傳統(tǒng)的解決方案過渡到一些新的解決方案上，”UMC 的 Ng 說。
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MRAM 怎么樣？
同時，一種被稱為自旋轉(zhuǎn)移力矩 MRAM（STT-MRAM）的第二代 MRAM 技術(shù)正在蓄勢。MRAM 使用電子自旋的磁性來提供非易失性。MRAM 同時具備 SRAM 的速度和閃存的非易失性，具有無限長的耐用時間。
有幾家公司正在開發(fā) STT-MRAM，不過 Everspin 現(xiàn)在仍然是唯一的供應(yīng)商。Everspin 將自家的技術(shù)稱為 ST-MRAM。Everspin 最新的 ST-MRAM 是一個具有 DDR-3 接口的 256 兆位器件。它使用的是其代工合作伙伴 GlobalFoundries 的 40nm 工藝。
Everspin 的新器件可以解決一個重大問題。簡單來說，SSD 使用基于 DRAM 的緩沖區(qū)來幫助加速系統(tǒng)。但是，如果系統(tǒng)斷電，數(shù)據(jù)就面臨丟失的風(fēng)險。為了解決電力丟失問題，SSD 將并入電容器，但這會增加系統(tǒng)的成本。
為了解決這個問題，ST-MRAM 可以被合并到 SSD 中的寫緩沖器插槽中。ST-MRAM 是一種永久性的非易失性存儲器?！叭缓?，你就不需要這些電容器了，”Everspin 的產(chǎn)品營銷主管 Joe?O'Hare 說。
Everspin 還開發(fā)了一個 1 吉比特大小的 ST-MRAM，基于 GlobalFoundries 的 28nm 工藝。與此同時，GlobalFoundries 正在開發(fā) Everspin 的 ST-MRAM 技術(shù)的嵌入式版本 eMRAM。
最初，GlobalFoundries 將在其 22nm?FD-SOI 平臺上提供 eMRAM 技術(shù)?！拔覀儗⑼瑫r實(shí)現(xiàn)代碼存儲和工作數(shù)據(jù)存儲，”GlobalFoundries 的 Bartlett 說。“我們最終將能夠做出非常大的 L3 緩存陣列，占用空間小于 6T?STRAM。
可以肯定，MRAM 有幾個目標(biāo)應(yīng)用。從事 STT-MRAM 技術(shù)開發(fā)的 Spin?Transfer?Technologies 公司的首席執(zhí)行官 Barry?Hoberman 說：“STT-MRAM 有幾個清晰可見、產(chǎn)量巨大且唾手可得的應(yīng)用機(jī)會?！拔铱吹酱鎯Α⒁苿?、汽車和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域存在著巨大機(jī)會。STT-MRAM 非常適合單機(jī)和嵌入式應(yīng)用。
“從長遠(yuǎn)來看，我認(rèn)為 MRAM 位單元將變得比 DRAM 電容器單元更小和更便宜。但是在這種情況發(fā)生之前，DRAM 將繼續(xù)在超低成本和高密度至關(guān)重要、而且非易失性、低功耗和瞬間上電“不那么重要”的應(yīng)用中占有一席之地，Hoberman 說?！暗?DRAM 優(yōu)勢喪失之后，STT-MRAM 將成為一個非常好的候選技術(shù)，以在速度、刷新功率和刷新占空比對系統(tǒng)設(shè)計(jì)師而言是個負(fù)擔(dān)的場合替代 DRAM。
那么 STT-MRAM 會取代 DRAM 嗎？近期肯定不會。首先，可以采用最便宜的替代方案簡單地重新配置或延長現(xiàn)有 DRAM 技術(shù)的壽命。
Marvell 的方法是通過添加最終級緩存，根據(jù)需要自動加載代碼和清除不需要的代碼，以提高 DRAM 的功能。?Marvell 技術(shù)營銷總監(jiān) Sheng?Huang 表示：“這種技術(shù)可以把緩存率優(yōu)化提高到高達(dá) 99％?！巴ㄟ^利用一個算法，使我們能夠設(shè)計(jì)一個更小的查找表。
Rambus 同樣試圖通過改變基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來更多地發(fā)揮 DRAM 的潛力。Rambus 解決方案營銷副總裁 Steven?Woo 說：“瓶頸在于數(shù)據(jù)移動?！拔覀冃枰紤]如何解決更多的現(xiàn)代瓶頸。
盡管如此，現(xiàn)在已經(jīng)有很多下一代內(nèi)存類型了，而且未來還有更多的內(nèi)存類型。最終，時間將會告訴我們哪些內(nèi)存類型占優(yōu)，哪些不會。
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