存儲(chǔ)器芯片開發(fā)的主要挑戰(zhàn)是面對(duì)日益增長(zhǎng)的微處理器性能提高，如何保持同步提供高吞吐速度與較低功耗？面對(duì)挑戰(zhàn)存儲(chǔ)器制造商選擇改變計(jì)算架構(gòu)和移至更小的工藝節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)。除此之外，很多業(yè)者也在尋找其他路徑，研發(fā)更先進(jìn)的存儲(chǔ)器以替代當(dāng)前的存儲(chǔ)器。
研發(fā)中的新一代存儲(chǔ)器可能會(huì)對(duì)未來的計(jì)算架構(gòu)產(chǎn)生重大影響。經(jīng)過許多年的研發(fā)，新一代存儲(chǔ)器的種類正在不斷增加，但仍有更多的新存儲(chǔ)器在研發(fā)的路上。
今天我們已經(jīng)看到有許多新一代存儲(chǔ)器浮出水面，例如非易失性磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)、相變存儲(chǔ)器(PCM)和電阻式記憶存儲(chǔ)器(ReRAM)。接下來的一些新存儲(chǔ)器可能是這些存儲(chǔ)技術(shù)的擴(kuò)展，或者是基于全新的技術(shù)或體系結(jié)構(gòu)的改變。例如有一種近內(nèi)存或內(nèi)存計(jì)算技術(shù)，會(huì)將計(jì)算任務(wù)帶到內(nèi)存周邊或內(nèi)存內(nèi)部，可極大地提高計(jì)算效率。當(dāng)然，這些存儲(chǔ)器能否最終成功現(xiàn)在還很難下定論，但我們可以斷定的是其中的某些技術(shù)很有前途，并有可能替代當(dāng)今流行的DRAM、NAND和SRAM。
我們匯集了未來可能的新內(nèi)存類型，它們是：
●FeFET或FeRAM：鐵電體隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，與DRAM類似，可以在讀取操作中隨機(jī)存取每個(gè)獨(dú)立的位。FeFET存儲(chǔ)器使用的是鐵電材料，可以在兩種極化狀態(tài)之間快速切換。它可以在低功耗下提供高性能，同時(shí)還具有非易失性的附加優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)eFET有望成為新一代閃存器件。Fraunhofer、格羅方德和NaMLab從2009年就開始了FeFET的研發(fā)，SK 海力士、Lam等也有相關(guān)的研發(fā)計(jì)劃。
●相變存儲(chǔ)器：PCM是另一種高性能、非易失性存儲(chǔ)器，基于硫?qū)倩衔锊Ａ?。這種化合物有一個(gè)很重要的特性，當(dāng)它們從一相移動(dòng)到另一相時(shí)能夠改變它們的電阻。與基于NAND的傳統(tǒng)非易失性存儲(chǔ)器不同，PCM器件可以實(shí)現(xiàn)幾乎無限數(shù)量的寫入。此外，PCM器件的優(yōu)勢(shì)還包括：訪問響應(yīng)時(shí)間短、字節(jié)可尋址、隨機(jī)讀寫等，其也是諸多被稱為能夠“改變未來”的存儲(chǔ)技術(shù)之一。英特爾、IBM、三星、美光科技和松下都已經(jīng)開始PCM的布局。
● ReRAM：電阻式隨機(jī)存取非易失性存儲(chǔ)器。ReRAM關(guān)閉電源后存儲(chǔ)器仍能記住數(shù)據(jù)。ReRAM可以由許多化合物制成，ReRAM的主要優(yōu)勢(shì)在于其可擴(kuò)展性、CMOS兼容性、低功耗和電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，這些優(yōu)點(diǎn)讓ReRAM可以輕松擴(kuò)展到先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)，能夠進(jìn)行大批量生產(chǎn)和供應(yīng)。所有這些都使ReRAM成為下一代存儲(chǔ)器的主要競(jìng)爭(zhēng)者。未來將用于人工智能應(yīng)用程序。Crossbar、東芝、Elpida、索尼、松下、美光、海力士、富士通等廠商都在開展ReRAM的研究和生產(chǎn)。在制造方面，中芯國(guó)際(SMIC)、臺(tái)積電(TSMC)和聯(lián)電(UMC)都已經(jīng)將ReRAM納入自己未來的發(fā)展線路圖中。
● MRAM：非易失性的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器。以磁性方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，但使用電子來讀取和寫入數(shù)據(jù)。磁性特征提供非易失性，電子讀寫提供速度。MRAM擁有靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)的高速讀取、寫入能力，以及DRAM的高集成度，而且基本上可以無限次地重復(fù)寫入。不過，當(dāng)前的MRAM存儲(chǔ)元件也有其明顯的產(chǎn)品短板。很多嵌入式系統(tǒng)都必須在高溫下運(yùn)行，而高溫往往會(huì)損害MRAM的數(shù)據(jù)保存能力。另外，MRAM的保持力、耐久性和密度也需要得到進(jìn)一步的提升。對(duì)于STT-MRAM的商業(yè)產(chǎn)品，Avalanche Technology、Spin Memory和Everspin Technologies都在布局。格羅方德、英特爾和三星等都已經(jīng)宣布將MRAM列入自己未來的產(chǎn)品計(jì)劃中。
●除此以外，還有自旋軌道轉(zhuǎn)矩MRAM(SOT-MRAM)，旨在取代SRAM的下一代MRAM。納米管RAM，納米管RAM的研發(fā)已有多個(gè)年頭了，皆在取代DRAM。也有人正在同一器件上開發(fā)碳納米管等下一代存儲(chǔ)器。
新一代存儲(chǔ)器還有更多的努力是向垂直方向推進(jìn)。例如， 3D SRAM，它將SRAM堆疊在邏輯上，作為平面SRAM的潛在替代品。
當(dāng)這些新的存儲(chǔ)器最終上市時(shí)，下一步會(huì)是什么業(yè)界很難下定論。“我們開始看到這些新興的或下一代的存儲(chǔ)器最終獲得更多的吸引力，但它們?nèi)蕴幱谠缙陂_發(fā)階段，”LAM Research的高級(jí)技術(shù)總監(jiān)亞歷克斯尹說。
當(dāng)前和未來的下一代存儲(chǔ)器還將面臨著其他挑戰(zhàn)。“隨著新材料、存儲(chǔ)概念和材料技術(shù)的出現(xiàn)，新的存儲(chǔ)類型激增，” KLA首席顧問ScottHoover表示。“這在材料和結(jié)構(gòu)表征領(lǐng)域提出了重大挑戰(zhàn)。很有可能，技術(shù)進(jìn)步和基本理解的節(jié)奏將取決于我們表征、測(cè)量、控制和改進(jìn)獨(dú)特材料和結(jié)構(gòu)的能力。”
總而言之，當(dāng)前和未來的下一代存儲(chǔ)器可能會(huì)找到一個(gè)合適的位置，但它們不會(huì)主宰整個(gè)環(huán)境。Hoover說：“預(yù)計(jì)在未來5-10年內(nèi)，新興內(nèi)存作為獨(dú)立產(chǎn)品不會(huì)對(duì)現(xiàn)有NAND或DRAM市場(chǎng)造成重大阻礙。”
SRAM替代品
今天的系統(tǒng)集成了處理器、圖像處理以及內(nèi)存和存儲(chǔ)，通常稱為內(nèi)存/存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)。在當(dāng)今層次結(jié)構(gòu)的第一層，SRAM被集成到處理器中以實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)訪問。下一層DRAM是獨(dú)立的，用于主內(nèi)存。磁盤驅(qū)動(dòng)器和基于NAND的固態(tài)存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器(SSD)用于存儲(chǔ)。
▲ 普適數(shù)據(jù)和計(jì)算源的新興存儲(chǔ)器(來源：應(yīng)用材料)
DRAM和NAND正努力跟上系統(tǒng)的帶寬和/或功率需求。DRAM很便宜，但它消耗能量，也不穩(wěn)定，這意味著當(dāng)系統(tǒng)斷電時(shí)，它會(huì)丟失數(shù)據(jù)。同時(shí)，NAND價(jià)格低廉且不易失，它在系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)保留數(shù)據(jù)。但NAND和磁盤驅(qū)動(dòng)器速度很慢。
因此多年來，業(yè)界一直在尋找一種“通用內(nèi)存”，這種內(nèi)存具有與DRAM和FLASH相同的屬性，可以取代它們。競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是MRAM、PCM和ReRAM。新的存儲(chǔ)器提出了一些大膽的主張。例如，STT-MRAM具有SRAM的速度和閃存的非波動(dòng)性，具有無限的持久性。與NAND相比，ReRAM速度更快，比特可調(diào)。
“對(duì)于技術(shù)開發(fā)人員，我們一直在設(shè)想，有一天，某種類型的通用內(nèi)存或殺手級(jí)內(nèi)存將能夠同時(shí)取代SRAM、DRAM和FLASH，”UMC產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān)David Hideo Uriu說。“下一代存儲(chǔ)器仍然無法取代任何傳統(tǒng)存儲(chǔ)器，但它們可以結(jié)合存儲(chǔ)的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，滿足利基市場(chǎng)的需求。”
一段時(shí)間以來，MRAM、PCM和ReRAM一直在出貨，主要面向利基市場(chǎng)。因此，DRAM、NAND和SRAM仍然是主流存儲(chǔ)器。
但在研發(fā)方面，行業(yè)正在研發(fā)一些新技術(shù)，包括潛在的SRAM替代品。一般來說，處理器集成了CPU、SRAM和各種其他功能。SRAM存儲(chǔ)處理器快速需要的指令。這叫做一級(jí)緩存。在操作中，處理器會(huì)從一級(jí)緩存請(qǐng)求指令，但CPU有時(shí)會(huì)錯(cuò)過它們。因此處理器還集成了二級(jí)和三級(jí)緩存，稱為二級(jí)和三級(jí)緩存。
多年來，業(yè)界一直在尋找SRAM的替代品。這些年來有好幾個(gè)可能的競(jìng)爭(zhēng)者。其中之一包括旋轉(zhuǎn)傳遞扭矩的MRAM(STT-MRAM)。STT-MRAM具有SRAM的速度和閃存的非波動(dòng)性，具有無限的持久性。
STT-MRAM是一種具有磁隧道結(jié)(MTJ)存儲(chǔ)單元的單管結(jié)構(gòu)。它利用電子自旋的磁性在芯片中提供不易揮發(fā)的特性。寫入和讀取功能在MTJ單元中共享相同的并行路徑。
Everspin已經(jīng)在為固態(tài)硬盤供應(yīng)SST-MRAM器件。此外，一些芯片制造商正專注于嵌入式STT-MRAM，它被分為兩個(gè)市場(chǎng)：嵌入式閃存替換和緩存。
為此，STT-MRAM正準(zhǔn)備取代嵌入式NOR flash。此外，STT-MRAM的目標(biāo)是取代SRAM，至少對(duì)于三級(jí)緩存。“STT-MRAM正朝著更密集地嵌入到SoCs的方向發(fā)展，在SoCs中，其較小的單元尺寸、較低的待機(jī)功耗要求和非易失性為更大且易失性強(qiáng)的SRAM提供了令人信服的價(jià)值主張，而SRAM則被用作通用的板載存儲(chǔ)器和末級(jí)緩存，”Veeco沉積和蝕刻市場(chǎng)高級(jí)營(yíng)銷總監(jiān)Javier Banos說。
▲ STT-MRAM的MJT細(xì)胞(資料來源：Lam Research)
但STT-MRAM的速度不足以取代一級(jí)和/或二級(jí)緩存的SRAM。還有一些可靠性問題。“我們相信，對(duì)于STT-MRAM，接入時(shí)間將在5ns到10ns之間飽和，”應(yīng)用材料的Pakala說。“當(dāng)您轉(zhuǎn)到一級(jí)和二級(jí)緩存時(shí)，我們認(rèn)為您需要轉(zhuǎn)到SOT-MRAM。”
如今，SOT-MRAM最大的問題在于它只在50%的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行切換，這就是為什么它仍處于研發(fā)階段。“與SRAM相比，SOT-MRAM具有潛在的優(yōu)勢(shì)，如密度更高、功耗更低，因?yàn)樗灰撞▌?dòng)，”UMC的Uriu說。“需要將SOT-MRAM應(yīng)用到具有成本效益的應(yīng)用中，以滿足有意愿的客戶。”
事實(shí)上，SOT-MRAM還沒準(zhǔn)備好。這個(gè)行業(yè)需要兩年或兩年以上的時(shí)間才能確定它是否可行。
與此同時(shí)，在研發(fā)方面，其他潛在的SRAM替代品，即3DSRAM，也在進(jìn)行中。在3DSRAM中，SRAM芯片堆疊在處理器上，通過硅通孔(TSVs)連接。
DRAM競(jìng)爭(zhēng)者
與SRAM一樣，業(yè)界多年來一直試圖取代DRAM。在當(dāng)今的計(jì)算架構(gòu)中，數(shù)據(jù)在處理器和DRAM之間移動(dòng)。但有時(shí)這種交換會(huì)導(dǎo)致延遲和功耗增加，有時(shí)稱為內(nèi)存墻。
DRAM在帶寬需求方面落后了。另外，在今天的1xnm節(jié)點(diǎn)上，DRAM的擴(kuò)展速度正在減慢。
“我們的應(yīng)用需要大量?jī)?nèi)存。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展，這個(gè)問題變得越來越嚴(yán)重。它們需要大量的存儲(chǔ)”斯坦福大學(xué)電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授SubhasishMitra說。“如果你能把所有的存儲(chǔ)器都放在一個(gè)芯片上，會(huì)很美好。你不需要從芯片到DRAM，花費(fèi)大量的精力和時(shí)間去訪問內(nèi)存。所以我們必須采取措施。”
這里有很多選擇：堅(jiān)持使用DRAM、替換DRAM、將DRAM堆疊到高帶寬內(nèi)存模塊中，或者遷移到新的體系結(jié)構(gòu)中。
好消息是DRAM并沒有停滯不前，業(yè)界正在從今天的DDR4接口標(biāo)準(zhǔn)向下一代DDR5技術(shù)遷移。例如，三星最近推出了一款12GB的LPDDR5移動(dòng)DRAM設(shè)備。在5500mb/s的數(shù)據(jù)速率下，該設(shè)備的速度是LPDDR4芯片的1.3倍。
不過，將很難同時(shí)替換DRAM和NAND。它們價(jià)格便宜，經(jīng)過驗(yàn)證，可以處理大多數(shù)任務(wù)。此外，他們都有未來改進(jìn)的路線圖。“NAND還有5年多的時(shí)間和3代多的時(shí)間。未來5年，DRAM將緩慢擴(kuò)張，”MKW Ventures Consulting的負(fù)責(zé)人MarkWebb表示。“我們有可靠的新的存儲(chǔ)器，實(shí)際上是可用的以及可以出貨的。這些正在增長(zhǎng)和增強(qiáng)，但還沒有到取代DRAM和NAND的時(shí)候。”
一種新的存儲(chǔ)類型正在獲得驅(qū)動(dòng)力，即3D XPoint。3D XPoint是英特爾于2015年推出的一種基于PCM的技術(shù)。PCM用于固態(tài)顯示器(SSDs)和DIMMs，它將信息存儲(chǔ)在非晶和晶相中。
但英特爾在這項(xiàng)技術(shù)上遲到了。英特爾正在推出帶有3D XPoint的固態(tài)硬盤。“我在2015年做了一個(gè)預(yù)測(cè)，基于這樣一個(gè)假設(shè)，即英特爾將在2017年前推出DIMM。他們最終直到2019年才這么做，”客觀分析公司分析師Jim Handy表示。
盡管如此，英特爾的3D XPoint器件采用雙層堆疊結(jié)構(gòu)，采用20nm的工藝，擁有128千兆的密度。MKW的Webb說：“這是一個(gè)很好的持久性內(nèi)存，但它不能取代NAND或DRAM。”
現(xiàn)在，英特爾和美光正在開發(fā)下一個(gè)版本的PCM，將于2020年面世。據(jù)Webb介紹，下一代3D Xpoint可能基于20nm工藝技術(shù)，但它可能有四個(gè)堆棧。“我們希望它的密度增加兩倍。今天是128GB，我們預(yù)計(jì)下一代將達(dá)到256GB。”
當(dāng)PCM正在加速發(fā)展時(shí)，諸如鐵電FETs(FeFETs)等其他技術(shù)仍在研發(fā)中。“在FeFET存儲(chǔ)單元中，鐵電絕緣體被插入標(biāo)準(zhǔn)MOSFET器件的柵極堆棧中，”鐵電存儲(chǔ)器(FMC)首席執(zhí)行官Stefan Müller解釋道。
FMC和其他公司正在開發(fā)嵌入式和獨(dú)立FeFET器件。嵌入式FeFET將集成在控制器中。獨(dú)立器件可能成為新的內(nèi)存類型或DRAM替換。“FeRAM是一個(gè)很好的替代品，它比DRAM消耗的能量要少得多。但可靠性需要提高，”LAM的Yoon說。
與此同時(shí)，多年來，Nantero公司一直在為嵌入式和DRAM替代開發(fā)碳納米管RAM。碳納米管是柱狀結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性。在研發(fā)階段，Nantero的NRAMs比DRAM和非易失性FLASH更快。但這比預(yù)期的商業(yè)化時(shí)間要長(zhǎng)。
富士通是NRAMs的第一個(gè)客戶，預(yù)計(jì)將在2019年出樣品，2020年投產(chǎn)。
碳納米管正在向其他幾個(gè)方向發(fā)展。2017年，DARPA推出了幾個(gè)項(xiàng)目，包括3DSoC。麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)和Skywater是3DSoC項(xiàng)目的合作伙伴，該項(xiàng)目的目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)單片3D器件，ReRAM被堆疊在碳納米管邏輯之上。ReRAM是基于電阻元件的電子開關(guān)。
這項(xiàng)技術(shù)仍處于研發(fā)階段，它并不是DRAM的替代品。相反，它屬于所謂的計(jì)算內(nèi)存類別。目標(biāo)是使內(nèi)存和邏輯功能更接近，以緩解系統(tǒng)中的內(nèi)存瓶頸。
人工智能存儲(chǔ)
在多年的工作中，ReRAM曾經(jīng)被吹捧為NAND的替代品。但是NAND的擴(kuò)展比以前想象的要遠(yuǎn)，導(dǎo)致許多人重新定位。
今天，一些人正在研究嵌入式ReRAM。其他人正在為面向利基的應(yīng)用開發(fā)獨(dú)立的ReRAM。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，ReRAM正在拓展其視野。它的目標(biāo)是人工智能應(yīng)用或DRAM的替代品，或者兩者兼而有之。
一家名為Crossbar的ReRAM公司正在開發(fā)一種可能取代DRAM的獨(dú)立器件。這涉及到一個(gè)帶有ReRAM和邏輯的類似Crossbar的架構(gòu)。
“在與客戶(尤其是在數(shù)據(jù)中心)交談之后，最大的痛點(diǎn)是DRAM，而不是NAND。“這是因?yàn)楣暮统杀荆?rdquo; Crossbar負(fù)責(zé)戰(zhàn)略營(yíng)銷和業(yè)務(wù)發(fā)展的副總裁Sylvain Dubois說。“對(duì)于高密度的獨(dú)立應(yīng)用，我們的目標(biāo)是在數(shù)據(jù)中心為讀取密集型應(yīng)用更換DRAM。DRAM的密度是原來的8倍，成本降低了約3到5倍，這大大降低了TCO，同時(shí)也大大節(jié)省了超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的能源。”
Crossbar的ReRAM技術(shù)也是機(jī)器學(xué)習(xí)的目標(biāo)。機(jī)器學(xué)習(xí)涉及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)并識(shí)別模式。它匹配某些模式并學(xué)習(xí)其中哪些屬性是重要的。
Crossbar的ReRAM技術(shù)也是機(jī)器學(xué)習(xí)的目標(biāo)。機(jī)器學(xué)習(xí)涉及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)并識(shí)別模式。它匹配某些模式并學(xué)習(xí)其中哪些屬性是重要的。
神經(jīng)形態(tài)計(jì)算也使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。為此，先進(jìn)的ReRAM正試圖在硅中復(fù)制大腦。我們的目標(biāo)是利用精確定時(shí)的脈沖模擬信息在器件中的移動(dòng)方法，在這一領(lǐng)域，特別是在材料方面，有很多研究正在進(jìn)行中。
“最大的問題是需要做什么才能真正實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，”Brewer Science半導(dǎo)體業(yè)務(wù)執(zhí)行董事SrikanthKommu說。“圍繞材料能否在這一領(lǐng)域有所作為，有很多研究?，F(xiàn)在，一切還不確定。”
材料有兩個(gè)方面。一個(gè)是速度和耐用性，第二個(gè)問題涉及可制造性和缺陷性，這兩個(gè)因素都會(huì)影響產(chǎn)量和最終成本。“其中很多都是基于公差和缺陷，”Kommu說。“如果缺陷率是100，你需要每?jī)赡旮倪M(jìn)70%。”
隨著AI/ML的采用和推廣，出于功能和性能方面的原因，人們對(duì)神經(jīng)形態(tài)結(jié)構(gòu)的興趣與日俱增。Leti和Reram的初創(chuàng)公司W(wǎng)eebit Nano最近展示了一種神經(jīng)形態(tài)計(jì)算，他們?cè)谙到y(tǒng)中執(zhí)行對(duì)象識(shí)別任務(wù)。
演示使用了Weebit的Reram技術(shù)，運(yùn)行推理任務(wù)使用了Spiking神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。“人工智能正在迅速發(fā)展，“ Weebit首席執(zhí)行官CobyHanoch表示，“我們看到了人臉識(shí)別、自動(dòng)駕駛汽車以及醫(yī)療預(yù)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用。
結(jié)論
STT-MRAM還提出了一個(gè)DRAM替代方案。但是，STT-MRAM或其他新的存儲(chǔ)器不會(huì)改變DRAM或NAND目前的地位。
不過，下一代的存儲(chǔ)器還是值得關(guān)注的。到目前為止，它們還沒有打破現(xiàn)有行業(yè)的平衡。但在不斷變化的存儲(chǔ)器市場(chǎng)上，它們正在削弱現(xiàn)有的存儲(chǔ)器公司。“我們正處在一個(gè)擁有新興內(nèi)存技術(shù)的地方，這場(chǎng)競(jìng)賽還沒有贏得勝利，”Objective Analysis的Handy給出了這樣的結(jié)論。
