新興存儲器已經(jīng)存在了數(shù)十年之久。盡管有些人發(fā)現(xiàn)嵌入式技術(shù)已經(jīng)在商業(yè)層面取得了一定成功，但其仍然落后于離散存儲器所代表的高性價(jià)比解決方案。換言之，前者雖然具備更強(qiáng)大的性能、持久性、保留性或者更優(yōu)秀的運(yùn)轉(zhuǎn)功耗，但仍不足以彌合價(jià)格成本方面的差距。
當(dāng)下，正是討論新興存儲器技術(shù)的最好時(shí)機(jī)。數(shù)十年以來，眾多廠商都在致力于取代DRAM及NAND閃存等現(xiàn)有存儲解決方案，并借此將老牌勁旅們趕下神壇。
但是，新興存儲器真能開辟一片全新的天地嗎?盡管摩爾定律正面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，突破性研究也確實(shí)帶來了不少令人眼前一亮的全新專利，但DRAM與NAND技術(shù)本身也在不斷發(fā)展。換句話說，這些替代對象并沒有停下前進(jìn)的腳步。而作為后起之秀的MRAM、ReRAM、FRAM以及PCRAM雖然在汽車、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、傳感器節(jié)點(diǎn)乃至AI與機(jī)器學(xué)習(xí)等全新場景中頗具熱度，但卻總是受到兩大致命短板的約束——可靠性與使用壽命。
實(shí)際上，下一代存儲器與傳統(tǒng)技術(shù)并無區(qū)別，都需要在特定的應(yīng)用領(lǐng)域下討論其發(fā)展機(jī)遇。但是，為什么傳統(tǒng)技術(shù)能夠在規(guī)模較小的細(xì)分市場中仍然獲得了可觀的利潤率?因?yàn)閭鹘y(tǒng)系統(tǒng)往往正是特定問題的最佳解決方案。
磁阻隨機(jī)存取存儲器(MRAM)最早誕生于上世紀(jì)八十年代，并被推廣為通用型存儲器。與其他存儲技術(shù)不同，MRAM將數(shù)據(jù)存儲為磁性元素，而非電荷或電流。在性能方面，由于使用充足的寫入電流，因此MRAM的表現(xiàn)與SRAM基本類似。但這種對供電能力的高度依賴，也阻礙了其在高寫入密度下與DRAM及閃存展開競爭的能力。
盡管Everspin等MRAM先驅(qū)已經(jīng)在嵌入式應(yīng)用的離散市場中取得了一定成功，甚至證明其足以滿足車載應(yīng)用環(huán)境提出的嚴(yán)苛要求，但MRAM本身無疑仍是一種小眾性質(zhì)的存儲器方案。
同樣地，電阻式隨機(jī)存取存儲器(ReRAM)尚未發(fā)展出可行的離散存儲器產(chǎn)品，甚至在嵌入式市場上的應(yīng)用也仍然有限。最近被Dialog Semiconductor收購的Adesto Technologies是首批通過CBRAM技術(shù)向市場推出商用ReRAM器件的廠商之一。與傳統(tǒng)嵌入式閃存技術(shù)相比，ReRAM的主要優(yōu)勢包括功耗更低、處理步驟更小且額定電壓更低等。此外，ReRAM還具備在太空及醫(yī)療場景下使正常工作的良好輻射耐受性。
過去二十年以來，已經(jīng)有多家公司在開發(fā)ReRAM技術(shù)，但該方法仍在集成與可靠性等方面存在一定挑戰(zhàn)。與磁阻技術(shù)一樣，ReRAM供應(yīng)商已經(jīng)在開發(fā)嵌入式ReRAM器件方面取得一定進(jìn)展，能夠分?jǐn)偛糠珠_發(fā)成本。Weebit Nano與研究合作伙伴Leti聯(lián)手，于2019年末宣布將加大對選擇器課題的攻堅(jiān)力度，努力推動離解ReRAM獲得商業(yè)可行性。同時(shí)，他們還將繼續(xù)探索這種存儲器技術(shù)在神經(jīng)形態(tài)與AI應(yīng)用場景中的潛力。公司CEO Coby Hanoch此前曾在采訪中表示，Weebit目前仍是一家存儲器初創(chuàng)企業(yè)，需要首先從嵌入式產(chǎn)品中建立穩(wěn)定的收入流，而后才可能在其他領(lǐng)域取得進(jìn)步。
Weebit Nano公司的ReRAM技術(shù)使用兩個(gè)金屬層，中間則由氧化硅層隔開，因此能夠使用現(xiàn)有生產(chǎn)線及材料直接制造
Weebit公司ReRAM技術(shù)的主要競爭力，在于其能夠直接利用現(xiàn)有生產(chǎn)線及材料直接制造。
而作為尋求離散存儲技術(shù)新方向的另一股重要力量，則是鐵電存儲器(FRAM)，其使用鐵電替代介電層以實(shí)現(xiàn)非易失性。雖然制造流程類似于DRAM，但FRAM的功能特性其實(shí)更接近于傳統(tǒng)閃存。
FRAM可以說是最成功的一類新興存儲器，而且已經(jīng)在嵌入式應(yīng)用場景中取得不錯(cuò)的進(jìn)展，亦有可能迎來更高的密度水平。經(jīng)過約35年的發(fā)展，F(xiàn)RAM的非易失性與低功耗已經(jīng)成為承載多種小眾利基應(yīng)用方案的理想特性。
例如，Cypress_Infineon就提到面向汽車與工業(yè) 應(yīng)用的Excelon FRAM，其低引腳數(shù)小尺寸封裝產(chǎn)品的存儲密度高達(dá)8 Mb。Excelon系列產(chǎn)品在設(shè)計(jì)層面專門考慮到了自動駕駛汽車提出的高速、非易失性數(shù)據(jù)記錄需求。此外，該產(chǎn)品也適用于醫(yī)療、可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)傳感器、工業(yè)及其他高級汽車應(yīng)用。憑借著功耗的顯著降低、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)保留性以及輻射耐受性，F(xiàn)RAM開始成為EEPROM與NOR閃存的一類可行替代方案，足以在植入式醫(yī)療設(shè)備中提供長達(dá)十年的穩(wěn)定存儲支持。
在其他領(lǐng)域，德國鐵電存儲器公司(FMC)預(yù)計(jì)未來將出現(xiàn)密度更高、商業(yè)可行性更強(qiáng)的存儲級內(nèi)存存儲器。FMC方面正在探索氧化鉿的潛力，希望借此制造出更大的晶體管，從而以經(jīng)濟(jì)高效的方式帶來密度更高的FRAM產(chǎn)品。
對于一種只面向小眾應(yīng)用市場，但又希望成功替代DRAM與閃存的新興技術(shù)，達(dá)成目標(biāo)的一項(xiàng)前提就是在規(guī)模制造流程中建立起強(qiáng)大的成本控制能力。一旦制造成本過高，那么無論是MRAM、ReRAM、FRAM還是PCRAM，都不足以單純依靠自身的特性優(yōu)勢吸引到買家。事實(shí)上，就算是較之前平面產(chǎn)品擁有明確優(yōu)勢的3D NAND，也需要經(jīng)歷了不斷地發(fā)展之后才能在市場上真正站穩(wěn)腳跟。
Optane的故事
由英特爾與美光公司共同開發(fā)的3D Xpoint相變存儲器(PCRAM)可能已經(jīng)迎來了發(fā)展的臨界點(diǎn)，得以從“新興”正式轉(zhuǎn)向商用。PCRAM技術(shù)同樣擁有悠久的歷史，但直到最近十年，相關(guān)研究才正式轉(zhuǎn)向商業(yè)化。PCRAM是一種非易失性存儲器，利用硫?qū)倩锞w的獨(dú)特特性研發(fā)而成。到目前為止，真正獲得商業(yè)成功的只有英特爾的Optane。而且與3D NAND一樣，PCRAM也經(jīng)歷了發(fā)展中的多個(gè)陣痛期。
但是，事實(shí)證明3D Xpoint的制造確實(shí)更具成本效益。此外，英特爾與美光的其他芯片制造商也能夠以3D Xpoint為基礎(chǔ)構(gòu)建起多種產(chǎn)品。德國默克公司下轄子公司Intermolecular最近就公布了關(guān)于某種新型材料組合的研究，能夠建立起3D垂直形式的非易失性存儲器架構(gòu)，這也意味著3D Xpoint技術(shù)已經(jīng)迎來第二輪迭代。
英特爾公司目前提供的Optane主要用于生產(chǎn)DIMM與SSD，市場定位屬于存儲級內(nèi)存。芯片巨頭似乎對于Optane只能在部分用例中(而非全部場景下)取代DRAM及閃存的現(xiàn)狀感到滿意。例如，Optane Persistent Memory 200系列以DIMM形式交付，能夠以225倍于主流SSD的速度代替NAND SSD支持實(shí)時(shí)分析類應(yīng)用。
英特爾公司Optane解決方案總經(jīng)理Christopher Tobias表示，SSD的一大優(yōu)勢在于善于處理隨機(jī)輸入/輸出負(fù)載。那時(shí)候CPU的核心數(shù)量還比較有限，虛擬化技術(shù)也才剛剛起步。隨著多核心、虛擬化與軟件容器技術(shù)在云端的全面興起，如何在存儲端充分支持這些計(jì)算資源的運(yùn)作就成了新的挑戰(zhàn)。
Tobias解釋道，隨著DRAM的發(fā)展趨近于極限，Optane有望給DRAM注入一波新的活力，并以DIMM格式服務(wù)于CPU。他解釋道，“我們一直在大規(guī)模生產(chǎn)Optane產(chǎn)品，它也切實(shí)滿足了市場上的部分關(guān)鍵需求。我們能夠隨時(shí)根據(jù)需求為這些虛擬核心補(bǔ)充內(nèi)存容量，讓計(jì)算資源變得更加密集。”
Tobias指出，Optane的經(jīng)濟(jì)性與效率水平已經(jīng)足以在NAND SSD與DRAM之間為自己爭得一片生存空間。具體來講，Optane既能補(bǔ)充昂貴的DRAM容量，又可以滿足傳統(tǒng)SSD無法支持的嚴(yán)苛延遲要求。
Tobias還補(bǔ)充道，“大型云服務(wù)供應(yīng)商顯然有必要填補(bǔ)這部分空白。”但目前的現(xiàn)實(shí)障礙在于，必須在軟件及架構(gòu)層面加以升級，才能充分利用Optane帶來的性能提升。
他強(qiáng)調(diào)稱，“將新的芯片技術(shù)推向市場是一項(xiàng)極為困難的工作，其中存在大量需要克服的挑戰(zhàn)，”例如擴(kuò)大制造規(guī)模等?？傊?，從實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)原型到制造生產(chǎn)線的過渡，總會耗費(fèi)“巨量”資源。
這一方面要求企業(yè)擁有雄厚的財(cái)力，同時(shí)也依賴于大量經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師。研究公司Omdia存儲器高級總監(jiān)Michael Yang表示，另外，愿意做出長期承諾且具有耐心的資本同樣難以尋覓。除了英特爾之外，幾乎沒有哪家企業(yè)能夠獨(dú)立將一項(xiàng)新興存儲器技術(shù)推向終點(diǎn)。Yang指出，Optane“之所以能夠堅(jiān)持到轉(zhuǎn)折點(diǎn)，也是因?yàn)槭袌鲂枨笠呀?jīng)客觀存在。”
這部分市場并不在于取代DRAM或閃存，而是在最適合的區(qū)域內(nèi)使用替代性存儲器方案。Yang表示，英特爾Optane獲得的成功也給其他新興存儲器制造商帶來了寶貴的經(jīng)驗(yàn)：首先尋找具有明確利潤空間的技術(shù)市場，而非一味追求取代成熟的現(xiàn)有存儲技術(shù)。“不要奢望于取代DRAM或閃存技術(shù)，這個(gè)機(jī)會窗口早在幾年之前就已經(jīng)永遠(yuǎn)關(guān)閉了。”
大多數(shù)MRAM公司已經(jīng)存在多年，而這些不再年輕的廠商始終未能在嵌入式市場之外取得任何有意義的進(jìn)展——更遑論取代DRAM或者閃存了。
雖然宣稱能夠取代DRAM或閃存將帶來巨大的市場反響，但這種說法在工程角度來看根本不可能實(shí)現(xiàn)。Yang指出，大多數(shù)企業(yè)根本就不具備橫掃存儲器市場的潛質(zhì)，但在嵌入式及低密度設(shè)備等細(xì)分市場中滋潤地活下去倒是沒有問題。因此，也許現(xiàn)在最重要的就是拋棄“新興”標(biāo)簽，真正把產(chǎn)品做好。無論是MRAM、ReRAM還是FAM，在Yang看來都“只是存儲器而已。”
過去三年以來，Thomas Coughlin與Objective Analysis一直在合作跟蹤新興存儲器市場。Coughlin表示，嵌入式市場是各類新興存儲器技術(shù)的最佳發(fā)展空間。即使是獨(dú)立設(shè)備，在提出低功耗要求的同時(shí)，也會對設(shè)備的存儲密度做出適當(dāng)妥協(xié)。他表示，“很多應(yīng)用程序都能夠從低容量非易失性存儲器中獲得重大收益。”
DRAM與NOR閃存最終都可能遇到擴(kuò)展限制。一旦FRAM、MRAM與ReRAM在市場上站穩(wěn)腳跟，將很快在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域迎來屬于自己的發(fā)展機(jī)遇。
不管名稱本身是否恰當(dāng)，MRAM與ReRAM仍然代表著新興的存儲器形式。而在Coughlin看來，Optane的重要意義在于，英特爾借此證明了新興存儲器技術(shù)確實(shí)有可能邁過盈虧平衡點(diǎn)。他表示，客戶也開始意識到自己對于高速、廉價(jià)存儲器(例如DRAM)的迫切需求。從這個(gè)角度來看，新興存儲器“代表一種廉價(jià)的內(nèi)存擴(kuò)展方向，有望帶來成本更低的內(nèi)存密集型應(yīng)用方案。”
Yang還提到，雖然Optane可能擁有高達(dá)10億美元的總體價(jià)值，但其真正適合的也只有實(shí)時(shí)分析等少部分工作負(fù)載。在此之外，其他存儲器制造商完全可以把握住規(guī)模更小、但同樣足以支撐起健康業(yè)務(wù)的市場空間。
他總結(jié)道，“我們生活的絕不是非黑即白的二元世界。即使市場規(guī)模只有3000萬美元，也足以支撐起一家成功的企業(yè)。這只是成功這一概念的不同表現(xiàn)方式。”
