幾年前，IDC預(yù)測，到2025年，普通人每天與聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的互動次數(shù)將達(dá)到4800次。從這些傳感器涌入的信息將推動機(jī)器學(xué)習(xí)、語言處理和人工智能，所有這些都需要快速存儲和更大的計算能力。下一代內(nèi)存技術(shù)將解決當(dāng)前存儲層次結(jié)構(gòu)中的缺陷，將數(shù)據(jù)交付到需要實時處理的地方。

　　新興的存儲器技術(shù)保證了在沒有SRAM和DRAM的高成本或功耗的情況下，將大量數(shù)據(jù)保持在離處理器更近的位置。大多數(shù)都是非易失性的，就像SSD內(nèi)部的NAND閃存，而且比NVMe附加的固態(tài)硬盤快得多。

　　在本文里，我們將研究六種新型存儲技術(shù)，它們可以解決即將到來的大數(shù)據(jù)瓶頸。當(dāng)中主要介紹了英特爾的Optane、兩種類型的磁阻RAM（MRAM）和電阻隨機(jī)存取存儲器（ReRAM）、納米管RAM、鐵電RAM和相變存儲器。

　　首先我們看一下新內(nèi)存技術(shù)的主要優(yōu)點：

　　IntelOptaneDC持久內(nèi)存：針對數(shù)據(jù)中心工作負(fù)載調(diào)整的非易失性高容量內(nèi)存。可通過內(nèi)存操作或塊存儲訪問。

　　MRAM：非易失性存儲器，可以完全斷電，然后快速喚醒，以便在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序中進(jìn)行快速寫入。

　　ReRAM：承諾將在數(shù)據(jù)中心的DRAM和flash之間架起一座橋梁。整個數(shù)據(jù)庫存儲在快速、非易失性的ReRAM中將徹底改變內(nèi)存計算。

　　納米管RAM：非易失性存儲器，具有DRAM級的性能和令人難以置信的數(shù)據(jù)保留能力。與DDR協(xié)議的兼容性意味著我們可以看到配備NRAM的DIMM能夠插入內(nèi)存插槽。

　　相變存儲器：與當(dāng)今的NAND閃存類似，相變存儲器是非易失性的。具有更好的寫入性能，出色的耐久性和更低的功耗的潛力。

　　鐵電RAM：盡管它的密度很低，但在數(shù)據(jù)持久性、低功耗和幾乎無限寫持久性的應(yīng)用中，它是SRAM的一個可行替代品。

　　為大數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備

　　計算性能的增長速度是數(shù)據(jù)訪問技術(shù)無法比擬的。當(dāng)大規(guī)模并行CPU或?qū)ｉT構(gòu)建的加速器耗盡超高速緩存或高速系統(tǒng)內(nèi)存時，它們被迫進(jìn)入基于磁盤的慢速存儲，以獲取字節(jié)，并逐漸停止。更大的SRAM緩存有助于保持熱（hot）數(shù)據(jù)在手邊，豐富的DRAM為內(nèi)存計算創(chuàng)造奇跡。然而，這兩種類型的存儲都很昂貴。它們本質(zhì)上也是不穩(wěn)定的，我們需要探索更好的方式來保存數(shù)據(jù)。而通過增加這兩種存儲的方法來解決等待實時分析的龐大數(shù)據(jù)量的方法都是不經(jīng)濟(jì)。

　　英特爾非易失性內(nèi)存解決方案部門的高級副總裁兼總經(jīng)理RobCrooke這樣總結(jié)了基本的挑戰(zhàn)：“DRAM不足以解決當(dāng)今的實時數(shù)據(jù)分析問題，傳統(tǒng)的存儲速度又不夠快?！?/p>

　　上圖：新興的存儲技術(shù)有助于縮小flash和DRAM之間的差距，前者容量大但速度相對較慢，而DRAM速度快但容量有限。

　　據(jù)介紹，該公司的Optane技術(shù)適用于拉近系統(tǒng)內(nèi)存和基于閃存的固態(tài)硬盤之間日益增長的差距，可能會增強(qiáng)分析、人工智能和內(nèi)容交付網(wǎng)絡(luò)。DRAM非常適合內(nèi)存處理，但它的容量也有限。當(dāng)固態(tài)硬盤擴(kuò)展到大規(guī)模部署時，每千兆字節(jié)的SSD成本要低得多。它們只是沒有實時事務(wù)操作的性能。而Optane被設(shè)計來“連接這兩個世界”。

　　Optane采用獨特的架構(gòu)，該架構(gòu)由堆疊在密集的三維矩陣中的可單獨尋址的存儲單元組成。英特爾并未透露其基于Optane打造的設(shè)備中使用的技術(shù)的具體信息。但是，我們確實知道Optane可以像DRAM或SSD一樣工作，而這具體取決于其配置。

　　英特爾的OptaneDC持久性內(nèi)存放入連接到CPU內(nèi)存控制器的標(biāo)準(zhǔn)DIMM插槽中。它最大可提供512GB的容量，可容納的數(shù)據(jù)量是最大DDR4模塊的幾倍。斷電時，在AppDirect模式下運行的OptaneDC永久內(nèi)存DIMM的有關(guān)信息將保留。相反，諸如DRAM之類的易失性存儲技術(shù)如果不經(jīng)常刷新，則會迅速丟失數(shù)據(jù)。軟件確實需要針對英特爾的技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。但是，正確的調(diào)整可以讓性能受限的應(yīng)用程序以低延遲的內(nèi)存操作訪問OptaneDC永久內(nèi)存。

　　另外，也可以在內(nèi)存模式下使用DIMM，將它們與易失性內(nèi)存共存以擴(kuò)展容量。無需重寫軟件即可在“內(nèi)存模式”下部署OptaneDC永久內(nèi)存。

　　這項技術(shù)也可以用于英特爾所謂的“應(yīng)用程序直接存儲”（StorageOverAppDirectMode）模式，在這種模式下，可以通過標(biāo)準(zhǔn)的文件API訪問持久內(nèi)存地址空間。希望使用塊存儲的應(yīng)用程序可以直接訪問OptaneDC持久存儲模塊的應(yīng)用程序區(qū)域，而不需要進(jìn)行任何特殊的優(yōu)化。與在I/O總線上移動數(shù)據(jù)相比，這樣做的好處是提高了性能。

　　不管應(yīng)用程序如何使用OptaneDC永久存儲器，該技術(shù)的優(yōu)勢都一樣：容量，性能和持久性。內(nèi)存占用量大的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用程序（認(rèn)為云和基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)）是直接受益者。內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，存儲緩存層和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化也是如此。

　　MRAM在邊緣展現(xiàn)出優(yōu)勢

　　Optane的主要目標(biāo)是數(shù)據(jù)中心，而磁阻存儲器（MRAM）在很多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上都有應(yīng)用前景。

　　讓我們來看看應(yīng)用材料公司記憶組的常務(wù)董事MahendraPakala博士的一篇博客文章中的一個例子。它使用了一個帶有語音和面部識別的安全攝像頭，作為MRAM良好工作的一個例子。你希望攝像頭在邊緣處理盡可能多的數(shù)據(jù)，只上傳對云計算有意義的信息。然而，功耗成為當(dāng)中一個最受關(guān)注的問題。但Pakala博士表示，如今的邊緣設(shè)備主要使用的是SRAM存儲器，這種存儲器每個cell最多可使用6個晶體管，而且可能會受到高有源漏電功率（highactiveleakagepower）的影響，從而影響效率。作為一種替代方案，MRAM可以將使晶體管密度提高數(shù)倍，從而實現(xiàn)更高的存儲密度或更小的芯片尺寸。更大的容量，更緊湊的芯片，更低的功耗，聽起來像是所有處于邊緣處理器的勝利。

　　MRAM中的數(shù)據(jù)是由一對鐵磁板形成的磁性元件來存儲的，這對鐵磁板之間由薄的介電隧道絕緣體隔開。其中一個板塊的極性是永久性的，而另一個板塊的磁化強(qiáng)度會改變，以存儲0和1。這些板塊在一起形成了一個磁性隧道結(jié)（MTJ），組成內(nèi)存設(shè)備的構(gòu)件。

　　與Optane一樣，MRAM也是非易失性的。EverspinTechnologies是MRAM技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者之一，該公司表示，存儲在其ToggleMRAM中的數(shù)據(jù)在常溫下可以保存20年。MRAM也非?？臁verspin聲稱同時讀寫延遲在35ns范圍內(nèi)。這接近于SRAM所“吹噓”的性能，使得MRAM成為當(dāng)今幾乎所有易失性存儲器的有吸引力的替代品。

　　與傳統(tǒng)的DRAM和閃存相比，MRAM的一個明顯差距在其容量方面。如Everspin最近發(fā)布了一個32Mb的設(shè)備。但相比之下，最大的每單元4位的NAND部件提供了4Tb的密度。但MRAM更有理由在物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域脫穎而出，因為其性能、持久性和無限的續(xù)航能力足以彌補其容量的不足。

　　STT-MRAM則是磁阻技術(shù)（magneto-resistive）的一種變體，其工作原理是利用極化電流（polarizingcurrent）操縱電子自旋。它的機(jī)制比切換MRAMs需要更少的轉(zhuǎn)換能量，從而降低了功耗。STT-MRAM也具有更好的可伸縮性。Everspin的獨立MRAM有256Mb和1Gb的密度。像Phison這樣的公司可以將其中的一個放到flash控制器旁邊，并獲得驚人的緩存性能和額外的斷電保護(hù)。你不必?fù)?dān)心購買內(nèi)置電池備份的SSD。進(jìn)行中的數(shù)據(jù)傳輸始終將是安全的，即使在意外停機(jī)的情況下也是如此。

　　英特爾（Intel）、臺積電（TSMC）和聯(lián)電（UMC）等代工廠對STT-MRAM感興趣的另一個目的是：他們希望將其嵌入微控制器中。這些設(shè)計中目前使用的NOR閃存很難擴(kuò)展到較小的制造節(jié)點，而MRAM的集成更經(jīng)濟(jì)。實際上，英特爾已經(jīng)發(fā)表了一篇論文，展示了其可將22nmFinFET低功耗工藝與7.2MbMRAM陣列集成的可量產(chǎn)方案。該公司表示，MRAM作為嵌入式非易失性存儲器，是具有片上啟動數(shù)據(jù)要求的IoT、FPGA和芯片組的潛在解決方案。

　　ReRAM可能是內(nèi)存計算的解決方案

　　在宣布成功將MRAM與22FFL制造集成幾個月后，英特爾還在國際固態(tài)電路會議上發(fā)表了一篇演講，介紹了一種嵌入同一進(jìn)程節(jié)點的3.6Mb電阻隨機(jī)存取存儲器（ReRAM）宏（macro）。

　　ReRAM是另一種類型的非易失性存儲器，它宣揚低功耗、高密度以及介于DRAM和閃存之間的性能。然而，MRAM的特性預(yù)示著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的生命，但ReRAM正在為數(shù)據(jù)中心事業(yè)做準(zhǔn)備，以縮小服務(wù)器內(nèi)存和SSD之間的差距。

　　上圖：Crossbar的ReRAM技術(shù)：在兩個電極之間的電介質(zhì)中形成納米薄膜，并通過不同的電壓水平進(jìn)行復(fù)位，創(chuàng)建低阻和高阻路徑。

　　有幾家公司正在開發(fā)使用多種材料的ReRAM。例如，Crossbar的ReRAM技術(shù)使用了一種夾在頂部和底部電極之間的硅基開關(guān)材料。當(dāng)電極之間施加電壓時，在電介質(zhì)中形成nanofilament，形成低電阻路徑（low-resistancepath）。然后filament可以通過另一個電壓復(fù)位。英特爾則使用了一種位于氧氣交換層（oxygenexchangelayer）下的氧化鉭（tantalumoxide）high-K介質(zhì)，在電極之間創(chuàng)建了空缺（vacancies）。這兩個cell在組成上不同，但是執(zhí)行相同的功能，與NAND閃存相比，具有更快的讀寫性能。

　　應(yīng)用材料公司的Pakala博士則表示，ReRAM似乎是內(nèi)存計算中最可行的存儲技術(shù)，數(shù)據(jù)保存在RAM中而不是磁盤的數(shù)據(jù)庫中?！翱梢岳脷W姆定律和基爾霍夫定律在陣列內(nèi)完成矩陣乘法，而無需將權(quán)重移入或移出芯片。多級單元架構(gòu)有望將存儲密度提高到一個新的水平，從而可以設(shè)計和使用更大的模型?！痹贒RAM中處理這些模型的成本非常高，這就是ReRAM的成本優(yōu)勢如此令人鼓舞的原因。

　　上圖：CrossBar的ReRAM可以嵌入SoC中，以實現(xiàn)快速、非易失的板載存儲。

　　納米管RAM瞄準(zhǔn)DRAM

　　納米管RAM是一種非易失性存儲器，它具有DRAM級的性能和令人難以置信的數(shù)據(jù)保留能力。與DDR協(xié)議的兼容性意味著我們可以看到配備NRAM的DIMM能夠插入內(nèi)存插槽。而由Nantero開發(fā)的NRAM是由碳納米管（CNT）存儲單元組成的，它能夠以極具競爭力的價格提供極好的性能，數(shù)據(jù)持久性（如SSD中的NAND閃存），待機(jī)模式下的零功耗，以及出色的保存性。

　　上圖：CNT存儲單元的設(shè)置和復(fù)位狀態(tài)由高電阻和低電阻定義，它們對應(yīng)于1和0。

　　每個CNT單元由沉積在兩個電極之間的數(shù)百個碳納米管組成。在電極之間施加的開關(guān)電壓迫使管子連接或斷開，從而導(dǎo)致電阻變化，該電阻對應(yīng)于1和0。分子力足以有效地維持這些狀態(tài)，以使Nantero即使在300°C時也能擁有300多年的數(shù)據(jù)保留能力。

　　對于與DRAM一樣快的持久性內(nèi)存技術(shù)（也稱為內(nèi)存類存儲），業(yè)務(wù)案例并不缺乏。但在今年的存儲開發(fā)者大會上，Nantero的首席系統(tǒng)架構(gòu)師BillGervasi讓我們領(lǐng)略了NRAM的世界。

　　“我們的碳納米管存儲器是作為一個交叉點來實現(xiàn)的。我們要做的是取這些交點，然后在它前面放一個DDR4或DDR5PHY。我們正在做的是把DDR協(xié)議轉(zhuǎn)換成我們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)?！?/p>

　　上圖：如果內(nèi)存類存儲能夠從配備NRAM的DIMM運行所有工作負(fù)載，那這項技術(shù)的興起可能就是革命性的

　　同時擔(dān)任JEDEC非易失性存儲器委員會（JEDECnon-volatilememorycommittee）主席的格瓦西（Gervasi）接著描述了一種使用與DDR要求兼容的技術(shù)（如NRAM）替代DRAM的技術(shù)。這些新模塊很快將為完全無存儲系統(tǒng)鋪平道路。

　　任何想要在主存中安裝應(yīng)用程序的人都應(yīng)該對內(nèi)存類存儲的影響感到非常興奮，特別是因為提出的NVRAM標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)了DDR5協(xié)議，支持每個設(shè)備128Tb（或16TB）。特別是對于內(nèi)存內(nèi)計算來說，每個DIMM的內(nèi)存槽會有大量的NRAM。

　　相變存儲器：Optane可以證明這是可行的

　　在前面，我們介紹了Intel的OptaneDC持久內(nèi)存。但我們沒有確定Optane的底層技術(shù)，這是被Intel嚴(yán)密保護(hù)的。話雖如此，但近兩年的行業(yè)分析表明，Optane是一種相變存儲器（PCM）。由于Optane已經(jīng)在產(chǎn)生收益，到2029年，其他PCM也很有可能實現(xiàn)進(jìn)入一個價值高達(dá)200億美元的新興內(nèi)存市場。

　　圖：通過改變溫度，可以將硫?qū)倩锊Ａе糜跓o定形或結(jié)晶狀態(tài)，從而影響其電阻。

　　相變技術(shù)利用了硫系玻璃（chalcogenideglass）的新穎性能。短暫地施加高溫，讓玻璃冷卻，使其進(jìn)入無定形狀態(tài)，并具有高電阻。我們再把它加熱到一個較低的溫度，時間長了之后，合金（alloy）就會恢復(fù)到低電阻的結(jié)晶狀態(tài)。

　　與閃存相比，PCM提供了更好的寫入性能。該技術(shù)還應(yīng)提供更高的耐用性，更低的功耗和更快的訪問時間，這些都是滿足數(shù)據(jù)密集型計算引擎所需的特性。

　　在2019年閃存峰會的一次演講中，MKWVentures咨詢公司的MarkWebb預(yù)測，由英特爾以外的公司提出的基于pcm的芯片將在2020年出現(xiàn)。IBM、美光（Micron）、三星（Samsung）、意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）和西部數(shù)據(jù)（WesternDigital）也都是這一領(lǐng)域的參與者。英特爾可以優(yōu)化其處理器和架構(gòu)，最大限度地從Optane的功能中獲益，因此它在任何即將到來的戰(zhàn)斗中都享有很大的優(yōu)勢。然而，在簡化PCM技術(shù)方面還有很多工作要做，這可能會加劇競爭。

　　AbuSebastian和他在IBM的研究團(tuán)隊正在探索僅使用一種化學(xué)元素-銻（antimony）來制造更小，更致密，更高效的PCM。盡管他們?nèi)栽谂κ共牧显谑覝叵虏粫焖俳Y(jié)晶，但研究人員認(rèn)為他們可以增加其保留時間。如果成功，那么確保材料的一致性會變得更加容易，從而有可能提高耐久度。

　　FRAM填補了重要位置

　　上文提到的所有存儲技術(shù)都是非易失性的。然而其他方法提供了創(chuàng)新的方法來使大量持久性數(shù)據(jù)更接近計算資源，但鐵電RAM（FRAM）僅在密度高達(dá)8MB的情況下可用。換句話說，您不會很快看到它位于服務(wù)器CPU的兩側(cè)。

　　然而，在持久性（本質(zhì)上是無限的寫持久性）和非常低的功耗優(yōu)先于成本或容量的應(yīng)用中，F(xiàn)RAM確實可以發(fā)揮作用。CypressSemiconductor和富士通（Fujitsu）是FRAM在大容量應(yīng)用領(lǐng)域的合作伙伴，它們認(rèn)為智能電表、汽車信息娛樂、可穿戴電子設(shè)備和車輛數(shù)據(jù)記錄器是該技術(shù)的優(yōu)勢應(yīng)用領(lǐng)域。

　　上圖：鋯鈦鉛（PZT）分子中的正電荷離子可能處于兩種低能態(tài)之一。這形成了FRAMs用來存儲數(shù)據(jù)的鐵電性質(zhì)。

　　和DRAM一樣，F(xiàn)RAM是基于一個晶體管、一個電容的存儲單元設(shè)計。但是FRAM獨特地使用具有鐵電性質(zhì)的材料作為其電容介質(zhì)。電介質(zhì)的每個分子中間都有一個帶正電荷的離子，它具有兩種相等的低能態(tài)，可以通過向一個方向或另一個方向施加電場來設(shè)置。當(dāng)電力中斷，電壓降低時，這些狀態(tài)保持不變。

　　但是由于存儲單元電容器需要保持足夠的電荷以用于檢測放大器以檢測1和0，因此FRAM單元很大。幾家公司正在探索具有更好擴(kuò)展前景的傳統(tǒng)FRAM的替代方法。例如，F(xiàn)MC正在使用氧化鉿（已經(jīng)是標(biāo)準(zhǔn)高k金屬柵晶體管中的柵絕緣體）對其進(jìn)行改性，以賦予材料鐵電性能。

　　上圖：根據(jù)FMC，任何邏輯晶體管都可以通過賦予其氧化鉿絕緣體鐵電特性而轉(zhuǎn)變成存儲器。

　　業(yè)界仍在努力完善這種所謂的FeFET，但其擴(kuò)大鐵電存儲器技術(shù)應(yīng)用范圍的潛力正引起關(guān)注。如果任何一種邏輯晶體管都能變成一個存儲單元，F(xiàn)eFET最終可能會比嵌入式閃存或與之競爭的非易失性存儲器技術(shù)具有更高的性能、更低的功耗、更易于制造。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、消費電子產(chǎn)品和汽車存儲領(lǐng)域保持FeFET的關(guān)注。該技術(shù)固有的抗篡改性能非常適合于增強(qiáng)卡芯片上的數(shù)據(jù)安全性，而輻射硬度能夠經(jīng)受住醫(yī)療和航空航天環(huán)境的嚴(yán)酷考驗。

　　我們需要新的存儲技術(shù)

　　隨著需求的增加，DRAM和flash似乎已經(jīng)無法跟上生成的大量數(shù)據(jù)的需求。每個公司似乎都有存儲層次結(jié)構(gòu)的可視化表示，在這兩種技術(shù)之間有一些差距。這個問題只會變得更糟。

　　上圖：DRAM和NAND閃存之間可能存在多種非易失性內(nèi)存技術(shù)。

　　分析師MarkWebb認(rèn)為，DRAM將在未來五年內(nèi)繼續(xù)擴(kuò)展。但是，它的速度正在放緩，而DRAM易失的事實為數(shù)據(jù)丟失打開了大門。至少NAND存儲器具有持久性。但是隨著flash規(guī)?？s放，耐用性和性能會受到打擊。因此，確實沒有一種技術(shù)是理想的。

　　作為回應(yīng)，業(yè)界正在努力尋找一種通用內(nèi)存，這種內(nèi)存能夠提供DRAM級的性能、數(shù)據(jù)持久性、無限的持久性以及比NAND的每比特成本更低。敬請期待。我們亟需一種新的存儲方法。

　　而我們也必須承認(rèn)，我們上面討論的新興記憶中沒有一個符合所有這些條件，但兩者的結(jié)合將保持大數(shù)據(jù)的流動。不過隨著數(shù)據(jù)處理需求的增長，我們必須密切關(guān)注存儲類內(nèi)存和內(nèi)存類存儲之類的術(shù)語。在這些保護(hù)傘下，新出現(xiàn)的記憶將被分類，增強(qiáng)DRAM和NAND閃存。

　　而EnergiasMarketResearch預(yù)計，MRAM市場從現(xiàn)在到2025年將迅速增長，復(fù)合年增長率也將高達(dá)49.6%，解釋這個市場容量將達(dá)到12億美元。CoughlinAssociates預(yù)測，3DXPointmemory——Optane的核心技術(shù)——到2028年將把英特爾的收入提高到160億美元。我們也的確需要新的內(nèi)存來解決即將到來的閃存、DRAM和SRAM的限制。

　　各大新興技術(shù)應(yīng)該努力，因為未來也不一定只有一個贏家。