迷人的新型存儲

多年來，各大廠商多年來孜孜不倦地追求閃存更高層數(shù)和內(nèi)存更先進制程。現(xiàn)代社會已經(jīng)進入大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)時代——一方面，數(shù)據(jù)呈爆炸式增長，芯片就必須需要具備巨大的計算能力 ；另一方面，依據(jù)傳統(tǒng)摩爾定律微縮的半導(dǎo)體技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)越來越大、需要的成本越來越高、實現(xiàn)的性能提高也趨于放緩。

應(yīng)用材料公司金屬沉積產(chǎn)品事業(yè)部全球產(chǎn)品經(jīng)理周春明博士說：“DRAM、SRAM、NAND這些傳統(tǒng)的存儲器，已經(jīng)有幾十年歷史了，它們還在一直在向前發(fā)展，不斷更新?lián)Q代，尺寸越來越小，成本越來越低，性能越來越強。”但是已經(jīng)開始出現(xiàn)無法超越的“墻”，新型存儲應(yīng)運而生。

什么“墻”？

全新的存儲器MRAM，ReRAM，PCRAM，相對于傳統(tǒng)存儲器來說，具有很多方面獨特的優(yōu)勢，能夠在計算系統(tǒng)層級實現(xiàn)更優(yōu)的計算性能、功耗和成本。

為滿足對海量信息的高速處理需求,同時兼顧系統(tǒng)功耗和成本,當(dāng)前信息系統(tǒng)中所使用的存儲器已經(jīng)發(fā)展出了一套由不同特性存儲器組成的多級存儲架構(gòu)。一般而言,這一存儲架構(gòu)由靠近計算端的內(nèi)核存儲器、承上啟下的主存儲器,以及靠近數(shù)據(jù)端的外部存儲器組成。對于大多數(shù)應(yīng)用而言，將閃存（傳統(tǒng)的 NVM）嵌入到 28nm 以下的 SoC 中在經(jīng)濟上并不可行。即使采用 3D 堆疊、高級封裝和小芯片架構(gòu)，嵌入式閃存也面臨著巨大的成本、功耗和安全挑戰(zhàn)。由于這些集成挑戰(zhàn)——以及閃存的其他挑戰(zhàn)——2023 年將有更多公司在高級節(jié)點上尋找 NVM 替代方案。

來源：信息通信技術(shù)與政策

隨著人工智能（AI）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、5G通信等技術(shù)和應(yīng)用的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)的產(chǎn)生已經(jīng)呈指數(shù)級增長。以前我們主要是受計算能力限制，就是受處理器限制，而過去幾十年摩爾定律推動了處理器性能的極大提升，現(xiàn)在的計算能力更多的受限于數(shù)據(jù)在處理器和存儲器之間的讀取和傳輸。由于數(shù)據(jù)的海量增長，現(xiàn)有的計算架構(gòu)已經(jīng)無法滿足進一步發(fā)展的需要，于是我們更多的關(guān)注存儲器的發(fā)展。傳統(tǒng)存儲器已經(jīng)限制了計算能力的提高，面臨多重困難和挑戰(zhàn)。

以MRAM、ReRAM和PCRAM為代表的新型存儲器，能夠帶來獨特的優(yōu)勢。

不神秘的新型存儲

為什么新型存儲器很重要？因為跟傳統(tǒng)的存儲器相比，它們有很多獨特的功能和優(yōu)勢。用新型的存儲器跟現(xiàn)在傳統(tǒng)的存儲器結(jié)合，就可以實現(xiàn)更好的“近存儲器計算”。同時，這些新型存儲器又可為將來的發(fā)展，也就是“存儲器內(nèi)計算”（In-MemoryCompute）打下基礎(chǔ)。“存儲器內(nèi)計算”就是把存儲跟處理整合到一起，存儲就是計算、計算就是存儲，這樣兩者之間就沒有數(shù)據(jù)傳輸，沒有數(shù)據(jù)傳輸就沒有延時、沒有功耗。所以，“存儲器內(nèi)計算”可以在性能和功耗上達(dá)到顯著提升。預(yù)計未來兩年到五年，“存儲器內(nèi)計算”會逐步的發(fā)展和應(yīng)用。而最先進的可能是一些新型的類腦計算，叫“高性能計算”，這項技術(shù)可能需要更長的時間才能實現(xiàn)。

機遇

來源：中國計算機學(xué)會通訊

MRAM是磁性隨機存取存儲器，采用硬盤驅(qū)動器中常見的精密磁性材料，具有快速存取和非易失性能。它的架構(gòu)非常簡單，它的存儲單元直接嵌入到邏輯的電路里面，不額外占用“硅”的面積，因此可以做得非常小，一個晶體管即可控制一個存儲單元。同時，因為MRAM在待機時不耗電，因此，用MRAM替代SRAM和閃存，就可以實現(xiàn)低功耗、高性能，這對于物聯(lián)網(wǎng)中的邊緣終端非常重要。將MRAM集成到物聯(lián)網(wǎng)芯片的后端互連層中，相比于現(xiàn)有利用SRAM和eFlash架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)更小的裸片尺寸和更低的成本。

PCRAM是相變隨機存取存儲器，采用的是DVD光盤中常見的相變材料，通過將材料狀態(tài)從非晶態(tài)更改為晶態(tài)對數(shù)據(jù)位進行編程。

ReRAM是電阻隨機存取存儲器，采用的工作原理類似保險絲的新材料制成，能夠在數(shù)十億個存儲單元中選擇性地形成細(xì)絲來表示數(shù)據(jù)。ReRAM和PCRAM還有望實現(xiàn)和編輯多個電阻率中間形態(tài)，以便在每單個存儲器單元中存儲多位數(shù)據(jù)。ReRAM和PCRAM這兩類存儲器可以跟MRAM一樣，做嵌入式應(yīng)用。但是，更有吸引力的地方在于，ReRAM和PCRAM與NAND存儲器類似，可以實現(xiàn)3D結(jié)構(gòu)排列，存儲器制造商可以在更新?lián)Q代過程中逐步增加層數(shù)，從而穩(wěn)定地增大容量、降低存儲成本。ReRAM和PCRAM的成本可以明顯低于DRAM。

而且它們還能夠提供比NAND和硬盤驅(qū)動器更快的讀取性能。這使得ReRAM和PCRAM在云計算、大數(shù)據(jù)中心方面非常有吸引力。ReRAM還是未來存儲器內(nèi)計算架構(gòu)的首選產(chǎn)品，在這一架構(gòu)中，計算元件將集成到存儲器陣列中，協(xié)助克服與AI計算相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸。隨著當(dāng)今的數(shù)據(jù)產(chǎn)生呈指數(shù)級增長，對于云數(shù)據(jù)中心連接服務(wù)器和存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)路徑，其速度和功耗也需要實現(xiàn)跨數(shù)量級的改進。

產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

近期，ChatGPT爆火，它也正在榨干算力。英飛凌宣布其下一代 AURIX ?微控制器 ( MCU ) 將采用新型非易失性存儲器 ( NVM ) RRAM ( ReRAM ) ；億鑄科技專注于研發(fā)基于RRAM的全數(shù)字存算一體大算力AI芯片。ChatGPT，需要存算一體的“解救”，也需要該架構(gòu)下，更物美價廉（微縮性好、單位面積小、成本低）的新型存儲器RRAM的大力支持。億鑄科技今年將誕生首顆基于RRAM的存算一體AI大算力芯片。屆時，或許“ChatGPT們”以及其下游的應(yīng)用能夠基于該芯片，更輕松地吸取算力，更快實現(xiàn)“智力”升維。我們來看看三種新型存儲落地如何。

PCM目前產(chǎn)業(yè)化進展最快,主要用于獨立式存儲領(lǐng)域。英特爾和美光聯(lián)合研發(fā)的3DXpoint存儲器是目前唯一大規(guī)模商用的PCM產(chǎn)品。英特爾為推廣這一產(chǎn)品將其加入了相應(yīng)CPU的支持,同時還提供了配套的各類驅(qū)動程序,使得其數(shù)據(jù)訪問速度得到顯著提升,目前已應(yīng)用于百度信息流服務(wù)數(shù)據(jù)中心。技術(shù)方面,英特爾與美光優(yōu)勢顯著,IBM與三星也有一定技術(shù)積累。英特爾與美光聯(lián)合研發(fā)了PCM相關(guān)技術(shù),并于2015年率先量產(chǎn)了具有商業(yè)化價值的128Gb 3DXpoint芯片,這也是目前唯一商用的PCM產(chǎn)品。

IBM從2006年開始研發(fā)PCM,技術(shù)路線與英特爾、美光不同,擁有完整的專利布局。

三星目前僅實現(xiàn)了小容量PCM樣片,技術(shù)路線與英特爾、美光相同,處于跟隨狀態(tài)。

MRAM 技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

MRAM已經(jīng)進入產(chǎn)業(yè)化階段,主要用于嵌入式存儲。

三星的嵌入式MRAM已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用于華為GT2智能手表的衛(wèi)星定位模塊中,能夠有效地降低功耗,延長待機時間。

MRAM也有少量獨立式存儲應(yīng)用,主要利用其抗輻射性能,用于航空航天等特殊市場,如空客A350飛機使用MRAM作為機上存儲器。

技術(shù)方面,目前主流的MRAM技術(shù)主要以美國Everspin公司推出的STT-MRAM（垂直混合自旋扭矩轉(zhuǎn)換磁性隨機存儲器）為代表。Everspin是一家設(shè)計、制造和商業(yè)銷售離散和嵌入式磁阻RAM（MRAM）和自旋傳遞扭矩MRAM（STT-MRAM）的企業(yè)。

2019年，Everspin與晶圓代工廠格芯合作，試生產(chǎn)28nm 1Gb STT-MRAM產(chǎn)品；2020年3月，雙方宣布已將聯(lián)合開發(fā)的自旋轉(zhuǎn)矩（STT-MRAM）器件的制造，擴展至12 nm FinFET平臺，通過縮小制程有助于雙方進一步拉低1Gb芯片成本。Everspin在數(shù)據(jù)中心、云存儲、能源、工業(yè)、汽車和運輸市場中部署了超過1.2億個MRAM和STT-MRAM產(chǎn)品。

三星和臺積電已經(jīng)開始將MRAM應(yīng)用于嵌入式存儲中,如三星在2019年為索尼代工的衛(wèi)星定位模塊中使用MRAM技術(shù),已隨華為GT2手表出貨超過100萬套。臺積電在2020年集成電路設(shè)計領(lǐng)域最高級別的國際會議ISSCC上發(fā)布了32Mb嵌入式STT-MRAM。此外,專利方面,日本東芝位列全球MRAM專利第一,專利總數(shù)幾乎是第二名三星的兩倍,高通、索尼、IBM等企業(yè)也擁有大量MRAM專利。

產(chǎn)業(yè)方面,獨立式MRAM市場較小,三星、臺積電等企業(yè)將大力推動嵌入式市場。

RRAM 目前尚無大規(guī)模商用。

作者：米樂