MRAM/ReRAM/3D XPoint/Z-SSD，下一代存儲(chǔ)器混戰(zhàn)何時(shí)休？

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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(gè)瓶頸，會(huì)影響系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力，其中有一個(gè)持續(xù)受到過度關(guān)注的因素，即存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器層級(jí)。

SRAM 是存儲(chǔ)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(duì)數(shù)據(jù)的快速訪問。 緊接著的下一層是 DRAM，用作主存儲(chǔ)器。 最后是用于存儲(chǔ)的磁盤驅(qū)動(dòng)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)類內(nèi)存。如前所述，下一代存儲(chǔ)器類型包括 MRAM，相變存儲(chǔ)，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(tái)業(yè)務(wù)部高級(jí)副總裁 Gregg?Bartlett 說：“實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)了多種新興的存儲(chǔ)器，有的已經(jīng)問世十年時(shí)間了?！靶滦痛鎯?chǔ)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(huì)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(chǔ)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(gè)可以取代 DRAM、閃存和 SRAM 的單一設(shè)備。當(dāng)時(shí)，通用內(nèi)存有幾個(gè)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(chǔ)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(chǔ)器類型可以替代現(xiàn)有的存儲(chǔ)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(duì)下一代存儲(chǔ)器技術(shù)的強(qiáng)烈需求。

然而，由于系統(tǒng)中不同類型存儲(chǔ)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(huì)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(chǔ)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(shí)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(dòng)駕駛汽車和云存儲(chǔ)對(duì)不同類型存儲(chǔ)器的渴求正在呈爆炸性增長。 “我們預(yù)計(jì)下一代存儲(chǔ)器將與其他存儲(chǔ)器共存，其中，3D NAND 是非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(huì)，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(chǔ)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(chǔ)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(dòng)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(dòng)器?，F(xiàn)在，高端服務(wù)器的磁盤驅(qū)動(dòng)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(jià)格會(huì)逐年持續(xù)下降。?“現(xiàn)在，它的價(jià)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(dòng)器。

一般來說，NAND 有一些問題?；旧希琋AND 器件必須被編程。數(shù)據(jù)被寫入設(shè)備中的一個(gè)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(shí)，這個(gè)過程太慢了，至少對(duì)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(gè)小塊里，通?？梢赃M(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(gè)過程有時(shí)顯得太慢了，至少對(duì)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(gè)，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(shí)，美光也將把這種器件應(yīng)用到企業(yè)級(jí) SSD 中。“3D?XPoint 是一個(gè)適合企業(yè)級(jí)應(yīng)用的產(chǎn)品，”美光科技的 Carter 說?！澳銜?huì)在高端 SSD 領(lǐng)域看到它，它將用于驅(qū)動(dòng)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(gè)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(huì)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(gè)虧損的業(yè)務(wù)?！叭绻亩▋r(jià)不低于 DRAM，那么它在內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)中不會(huì)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(gè)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(chǔ)器單元。每個(gè)存儲(chǔ)器單元存儲(chǔ)單個(gè)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(gè)演講，在那里他分享了對(duì)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(chǔ)器，”Desu 說?！八麄冋f開關(guān)或選擇器是一個(gè)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(chǔ)器，它有時(shí)也被稱為 PCM。PCM 在非晶相和結(jié)晶相中存儲(chǔ)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(chǔ)器和 ReRAM 的特性。“（3D?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(shí)，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(chǔ)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(duì) 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(shí)正在研究其他內(nèi)存類型。“他們會(huì)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(gè)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(shí)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(chǔ)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。“有一組客戶在 MCU 上使用非易失性存儲(chǔ)器。他們必須在特定的時(shí)間上市。一般來說，我們正在與那些客戶推動(dòng)更傳統(tǒng)的解決方案。但他們也對(duì)其他一些更獨(dú)特的解決方案感興趣“，Ng 說。

對(duì)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(gè)用于嵌入式應(yīng)用的 ReRAM。它集成了一個(gè) 180nm 的 ReRAM 器件和一個(gè) 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(duì) EEPROM 替代市場，Adesto 最新的 CBRAM 比同類存儲(chǔ)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。基于 40nm 工藝，Crossbar 的 ReRAM 基于 1T1R（一個(gè)晶體管 / 一個(gè)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。“這是一個(gè)可改變單個(gè)比特位的內(nèi)存。要更新存儲(chǔ)內(nèi)容時(shí)，你不必擦除一個(gè)完整的塊，并編程一個(gè)完整的頁面來更新它。

Crossbar 的下一個(gè)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。“它會(huì)打擊 NOR 的生存空間。

然后，在另一個(gè)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(shí)也在開發(fā)下一代技術(shù)。那么下一代存儲(chǔ)器類型會(huì)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(huì)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(shí)，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(shí)具備 SRAM 的速度和閃存的非易失性，具有無限長的耐用時(shí)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(gè)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(gè)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(xiǎn)。為了解決電力丟失問題，SSD 將并入電容器，但這會(huì)增加系統(tǒng)的成本。

為了解決這個(gè)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(chǔ)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(gè) 1 吉比特大小的 ST-MRAM，基于 GlobalFoundries 的 28nm 工藝。與此同時(shí)，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(tái)上提供 eMRAM 技術(shù)?！拔覀儗⑼瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)代碼存儲(chǔ)和工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，”GlobalFoundries 的 Bartlett 說?！拔覀冏罱K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(gè)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(gè)清晰可見、產(chǎn)量巨大且唾手可得的應(yīng)用機(jī)會(huì)。“我看到存儲(chǔ)、移動(dòng)、汽車和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域存在著巨大機(jī)會(huì)。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(gè)非常好的候選技術(shù)，以在速度、刷新功率和刷新占空比對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師而言是個(gè)負(fù)擔(dān)的場合替代 DRAM。

那么 STT-MRAM 會(huì)取代 DRAM 嗎？近期肯定不會(huì)。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(jí)緩存，根據(jù)需要自動(dòng)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(gè)算法，使我們能夠設(shè)計(jì)一個(gè)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(dòng)。“我們需要考慮如何解決更多的現(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(shí)間將會(huì)告訴我們哪些內(nèi)存類型占優(yōu)，哪些不會(huì)。

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