在數(shù)據(jù)中心和一些相關的環(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動器和基于NAND的固態(tài)硬盤（SSD）。

2007年，SSD應用到數(shù)據(jù)中心中。根據(jù)Forward Insights的報道，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、存儲堆棧和軟件堆棧上做出了革新，現(xiàn)在的瓶頸是底層內存。

事實上，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存類型。理論上，該技術將具有DRAM的性能和閃存的成本和非易失性特性。

有些人把這種內存稱為存儲類內存。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，這些技術中有一些已經(jīng)上市發(fā)售或者進入了試制階段。但有些卻因為成本和技術因素永遠無法面市。 格羅方德的CMOS平臺業(yè)務部高級副總裁Gregg Bartlett說：“實驗室出現(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，它正在轉變成主流技術。

那么，哪些技術最終會占上風？這里無法給出簡單的答案。為了幫助原始設備制造商洞察先機，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：通用內存

幾年前，業(yè)界希望開發(fā)一種所謂的通用內存，理論上，這是一個可以取代DRAM、閃存和SRAM的單一設備。當時，通用內存有幾個候選技術，正是當下正在爭奪主導地位的這些技術-MRAM、相變存儲和ReRAM。

但是，由于系統(tǒng)的復雜性和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)內存容量的擴展速度比之前預想的更快，催生了對下一代存儲器技術的強烈需求。

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大，所以有空間容納一種新的內存類型。新技術不會取代一切，但它可以在特定的應用中發(fā)揮作用，并與今天的存儲器共生共存。

Coventor首席技術官David Fried說：“我期望這些先進的內存能夠首先在可以識別或發(fā)揮其獨特優(yōu)勢的應用中找到一席之地。 “我也希望有幾種不同的技術能成為最終的贏家，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。 “我們預計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存類型都能成功。應用材料公司硅系統(tǒng)事業(yè)部存儲器和材料部門總經(jīng)理Er-Xuan Ping說：“這些技術只有一定的生存空間。”

根據(jù)Ping的說法，下一代存儲器類型3D XPoint可以在某些應用中找到用武之地。 “其他的內存類型有機會，但它們需要加快步伐趕上來，”他說。

而在短期內，下一代技術不太可能取代現(xiàn)有的內存。 “今天的內存已經(jīng)在經(jīng)濟性方面進行了高度優(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。

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)點后，平面NAND就后繼乏力了，從而需要一種替代性的技術。該替代性技術就是3D NAND，它的結構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)應用到了PC中，但真正的動靜發(fā)生在企業(yè)應用中，SSD正在取代傳統(tǒng)的磁盤驅動器。現(xiàn)在，高端服務器的磁盤驅動器的旋轉速度高達10,000和15,000 RPM。

三星半導體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可以迅速取代轉速為10K和15K RPM的磁盤驅動器。

一般來說，NAND有一些問題。基本上，NAND器件必須被編程。數(shù)據(jù)被寫入設備中的一個小塊。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用，根據(jù)專家。因此，市場已經(jīng)成熟了一種新的內存技術，可以幫助加快系統(tǒng)。

一般來說，NAND存在一些問題，主要是NAND器件必須進行編程操作。數(shù)據(jù)被寫入到設備中的一個小塊里，通常可以進行檢索和讀取，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用而言就是如此。因此，一種可以幫助加快系統(tǒng)的新型內存技術的市場已經(jīng)準備就緒了。

能滿足這種市場需求的備選技術有好幾個，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)內存的10倍。

3D XPoint填補了NAND和DRAM之間的延遲差距。英特爾將在企業(yè)SSD和服務器的DIMM中集成3D XPoint器件。同時，美光也將把這種器件應用到企業(yè)級SSD中。“3D XPoint是一個適合企業(yè)級應用的產(chǎn)品，”美光科技的Carter說。“你會在高端SSD領域看到它，它將用于驅動任務關鍵型的工作負載。

3D XPoint面臨一些挑戰(zhàn)。首先，英特爾和美光需要為該技術開發(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：“我認為，在它出現(xiàn)后的頭幾年，應該是一個虧損的業(yè)務。“如果它的定價不低于DRAM，那么它在內存層次結構中不會有任何意義。

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的許多細節(jié)。

最初的3D XPoint器件將達到128吉比特的密度。首代產(chǎn)品將包括兩個堆疊層，由垂直導體進行連接。導體具有單獨的開關元件和存儲器單元。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公司內存專家和首席技術官Seshubabu Desu經(jīng)過各種計算得出的，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存類型的見解。

“（Intel和美光都堅持認為3D XPoint不是相變存儲器，”Desu說。“他們說開關或選擇器是一個雙向閾值開關。這是一種基于硫族化合物的材料。

雙向開關、雙端設備，容易讓人聯(lián)想到相變存儲器，它有時也被稱為PCM。PCM在非晶相和結晶相中存儲信息。它可以利用外部電壓進行可逆切換。

總之，3D XPoint結合了相變存儲器和ReRAM的特性。“（3D XPoint）具有PCM的風格，”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。“如果你使用當前的光刻技術，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3D XPoint，三星最近推出了一種名為Z-SSD的新技術。Z-SSD基于NAND技術，目標應用是高端企業(yè)SSD。Z-SSD采用了新的電路設計和控制器，實現(xiàn)了比現(xiàn)有高端SSD低4倍的延遲和1.6倍的順序讀取。

三星正在實驗室中探索各種下一代存儲器類型，但該公司表示，為高端應用開發(fā)新的更快的NAND版本更有意義。“我們選擇基于NAND的技術的原因是因為它是一種成熟的技術，”三星的史密斯說。“我們想選擇已經(jīng)進入生產(chǎn)階段而且具備效率的技術，換句話說，它具有市場需要的成本結構。

不過，三星還沒有公布Z-SSD背后的細節(jié)。“Z-SSD是三星對3D XPoint的反擊，”Web-Feet研究公司總裁Alan Niebel說。“Z-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。

嵌入式內存之戰(zhàn)

根據(jù)Niebel的說法，三星同時正在研究其他內存類型。“他們會首先出貨（Z-SSD），”他說。“隨后，當生態(tài)環(huán)境基礎設施準備就緒之后，他們將引入MRAM和ReRAM。

其他公司也在研究ReRAM，這項技術據(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提供了比當今閃存更耐用的寫入時間。

ReRAM技術的開發(fā)難度很大。此外，3D NAND的性能表現(xiàn)可能進一步超出之前的預期，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入嵌入式市場。今天，嵌入式市場被傳統(tǒng)閃存所主導。嵌入式閃存廣泛應用于微控制器（MCU）和其他設備中。

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移。UMC的業(yè)務管理副總裁Walter Ng說：“開發(fā)方面的重點是28nm。“

還有其他一些變化。“有一組客戶在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特的解決方案感興趣“，Ng說。

對于嵌入式應用，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，稱為導電橋接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。基于40nm工藝，Crossbar的ReRAM基于1T1R（一個晶體管/一個電阻）技術。

Crossbar的營銷和業(yè)務開發(fā)副總裁Sylvain Dubois說：“嵌入式ReRAM比現(xiàn)有閃存技術更快，功耗更低。“這是一個可改變單個比特位的內存。要更新存儲內容時，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用和獨立應用。“它會打擊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，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。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。

MRAM怎么樣？

同時，一種被稱為自旋轉移力矩MRAM（STT-MRAM）的第二代MRAM技術正在蓄勢。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商。Everspin將自家的技術稱為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。“然后，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技術的嵌入式版本eMRAM。

最初，GlobalFoundries將在其22nm FD-SOI平臺上提供eMRAM技術。“我們將同時實現(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有幾個目標應用。從事STT-MRAM技術開發(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用機會。“我看到存儲、移動、汽車和物聯(lián)網(wǎng)領域存在著巨大機會。STT-MRAM非常適合單機和嵌入式應用。

“從長遠來看，我認為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重要、而且非易失性、低功耗和瞬間上電“不那么重要”的應用中占有一席之地，Hoberman說。“到DRAM優(yōu)勢喪失之后，STT-MRAM將成為一個非常好的候選技術，以在速度、刷新功率和刷新占空比對系統(tǒng)設計師而言是個負擔的場合替代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技術營銷總監(jiān)Sheng Huang表示：“這種技術可以把緩存率優(yōu)化提高到高達99％。“通過利用一個算法，使我們能夠設計一個更小的查找表。

Rambus同樣試圖通過改變基本數(shù)據(jù)結構來更多地發(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。“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)有很多下一代內存類型了，而且未來還有更多的內存類型。最終，時間將會告訴我們哪些內存類型占優(yōu)，哪些不會。