迷人的新型存儲(chǔ)

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(jìn)制程。現(xiàn)代社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)時(shí)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(jì)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(shí)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(chǔ)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(qiáng)?！沟且呀?jīng)開始出現(xiàn)無法超越的「墻」，新型存儲(chǔ)應(yīng)運(yùn)而生。

什么「墻」？

全新的存儲(chǔ)器 MRAM，ReRAM，PCRAM，相對(duì)于傳統(tǒng)存儲(chǔ)器來說，具有很多方面獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠在計(jì)算系統(tǒng)層級(jí)實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的計(jì)算性能、功耗和成本。

為滿足對(duì)海量信息的高速處理需求, 同時(shí)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(chǔ)器已經(jīng)發(fā)展出了一套由不同特性存儲(chǔ)器組成的多級(jí)存儲(chǔ)架構(gòu)。一般而言, 這一存儲(chǔ)架構(gòu)由靠近計(jì)算端的內(nèi)核存儲(chǔ)器、承上啟下的主存儲(chǔ)器, 以及靠近數(shù)據(jù)端的外部存儲(chǔ)器組成。對(duì)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(jì)上并不可行。即使采用 3D 堆疊、高級(jí)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(jí)節(jié)點(diǎn)上尋找 NVM 替代方案。

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(jí)增長。以前我們主要是受計(jì)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(dòng)了處理器性能的極大提升，現(xiàn)在的計(jì)算能力更多的受限于數(shù)據(jù)在處理器和存儲(chǔ)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(jì)算架構(gòu)已經(jīng)無法滿足進(jìn)一步發(fā)展的需要，于是我們更多的關(guān)注存儲(chǔ)器的發(fā)展。傳統(tǒng)存儲(chǔ)器已經(jīng)限制了計(jì)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(chǔ)器，能夠帶來獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

不神秘的新型存儲(chǔ)

為什么新型存儲(chǔ)器很重要？因?yàn)楦鷤鹘y(tǒng)的存儲(chǔ)器相比，它們有很多獨(dú)特的功能和優(yōu)勢(shì)。用新型的存儲(chǔ)器跟現(xiàn)在傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器結(jié)合，就可以實(shí)現(xiàn)更好的「近存儲(chǔ)器計(jì)算」。同時(shí)，這些新型存儲(chǔ)器又可為將來的發(fā)展，也就是「存儲(chǔ)器內(nèi)計(jì)算」（In-MemoryCompute）打下基礎(chǔ)?！复鎯?chǔ)器內(nèi)計(jì)算」就是把存儲(chǔ)跟處理整合到一起，存儲(chǔ)就是計(jì)算、計(jì)算就是存儲(chǔ)，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(shí)、沒有功耗。所以，「存儲(chǔ)器內(nèi)計(jì)算」可以在性能和功耗上達(dá)到顯著提升。預(yù)計(jì)未來兩年到五年，「存儲(chǔ)器內(nèi)計(jì)算」會(huì)逐步的發(fā)展和應(yīng)用。而最先進(jìn)的可能是一些新型的類腦計(jì)算，叫「高性能計(jì)算」，這項(xiàng)技術(shù)可能需要更長的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)。

機(jī)遇

來源：中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊

MRAM 是磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，采用硬盤驅(qū)動(dòng)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(chǔ)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(gè)晶體管即可控制一個(gè)存儲(chǔ)單元。同時(shí)，因?yàn)?MRAM 在待機(jī)時(shí)不耗電，因此，用 MRAM 替代 SRAM 和閃存，就可以實(shí)現(xiàn)低功耗、高性能，這對(duì)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(jī)存取存儲(chǔ)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(duì)數(shù)據(jù)位進(jìn)行編程。

ReRAM 是電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，采用的工作原理類似保險(xiǎn)絲的新材料制成，能夠在數(shù)十億個(gè)存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)和編輯多個(gè)電阻率中間形態(tài)，以便在每單個(gè)存儲(chǔ)器單元中存儲(chǔ)多位數(shù)據(jù)。ReRAM 和 PCRAM 這兩類存儲(chǔ)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(chǔ)器類似，可以實(shí)現(xiàn) 3D 結(jié)構(gòu)排列，存儲(chǔ)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(chǔ)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(dòng)器更快的讀取性能。這使得 ReRAM 和 PCRAM 在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)中心方面非常有吸引力。ReRAM 還是未來存儲(chǔ)器內(nèi)計(jì)算架構(gòu)的首選產(chǎn)品，在這一架構(gòu)中，計(jì)算元件將集成到存儲(chǔ)器陣列中，協(xié)助克服與 AI 計(jì)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(jí)增長，對(duì)于云數(shù)據(jù)中心連接服務(wù)器和存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)路徑，其速度和功耗也需要實(shí)現(xiàn)跨數(shù)量級(jí)的改進(jìn)。

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(chǔ)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(jià)廉（微縮性好、單位面積小、成本低）的新型存儲(chǔ)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(shí)，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(shí)現(xiàn)「智力」升維。我們來看看三種新型存儲(chǔ)落地如何。

PCM 目前產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展最快, 主要用于獨(dú)立式存儲(chǔ)領(lǐng)域。英特爾和美光聯(lián)合研發(fā)的 3DXpoint 存儲(chǔ)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(shí)還提供了配套的各類驅(qū)動(dòng)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(shì)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(jià)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(shí)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(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段, 主要用于嵌入式存儲(chǔ)。

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(jī)時(shí)間。

MRAM 也有少量獨(dú)立式存儲(chǔ)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(jī)使用 MRAM 作為機(jī)上存儲(chǔ)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(jī)存儲(chǔ)器）為代表。Everspin 是一家設(shè)計(jì)、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(kuò)展至 12 nm FinFET 平臺(tái)，通過縮小制程有助于雙方進(jìn)一步拉低 1Gb 芯片成本。Everspin 在數(shù)據(jù)中心、云存儲(chǔ)、能源、工業(yè)、汽車和運(yùn)輸市場中部署了超過 1.2 億個(gè) MRAM 和 STT-MRAM 產(chǎn)品。

三星和臺(tái)積電已經(jīng)開始將 MRAM 應(yīng)用于嵌入式存儲(chǔ)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(tái)積電在 2020 年集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域最高級(jí)別的國際會(huì)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(dú)立式 MRAM 市場較小, 三星、臺(tái)積電等企業(yè)將大力推動(dòng)嵌入式市場。

RRAM 目前尚無大規(guī)模商用。