迷人的新型存儲

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)存更先進制程。現(xiàn)代社會已經(jīng)進入大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)時代——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。」但是已經(jīng)開始出現(xiàn)無法超越的「墻」，新型存儲應(yīng)運而生。

什么「墻」？

全新的存儲器 MRAM，ReRAM，PCRAM，相對于傳統(tǒng)存儲器來說，具有很多方面獨特的優(yōu)勢，能夠在計算系統(tǒng)層級實現(xiàn)更優(yōu)的計算性能、功耗和成本。

為滿足對海量信息的高速處理需求, 同時兼顧系統(tǒng)功耗和成本, 當前信息系統(tǒng)中所使用的存儲器已經(jīng)發(fā)展出了一套由不同特性存儲器組成的多級存儲架構(gòu)。一般而言, 這一存儲架構(gòu)由靠近計算端的內(nèi)核存儲器、承上啟下的主存儲器, 以及靠近數(shù)據(jù)端的外部存儲器組成。對于大多數(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)濟上并不可行。即使采用 3D 堆疊、高級封裝和小芯片架構(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節(jié)點上尋找 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)級增長。以前我們主要是受計算能力限制，就是受處理器限制，而過去幾十年摩爾定律推動了處理器性能的極大提升，現(xiàn)在的計算能力更多的受限于數(shù)據(jù)在處理器和存儲器之間的讀取和傳輸。由于數(shù)據(jù)的海量增長，現(xiàn)有的計算架構(gòu)已經(jīng)無法滿足進一步發(fā)展的需要，于是我們更多的關(guān)注存儲器的發(fā)展。傳統(tǒng)存儲器已經(jīng)限制了計算能力的提高，面臨多重困難和挑戰(zhàn)。

以 MRAM、ReRAM 和 PCRAM 為代表的新型存儲器，能夠帶來獨特的優(yōu)勢。

不神秘的新型存儲

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

機遇

來源：中國計算機學(xué)會通訊

MRAM 是磁性隨機存取存儲器，采用硬盤驅(qū)動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，一個晶體管即可控制一個存儲單元。同時，因為 MRAM 在待機時不耗電，因此，用 MRAM 替代 SRAM 和閃存，就可以實現(xiàn)低功耗、高性能，這對于物聯(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 是相變隨機存取存儲器，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)對數(shù)據(jù)位進行編程。

ReRAM 是電阻隨機存取存儲器，采用的工作原理類似保險絲的新材料制成，能夠在數(shù)十億個存儲單元中選擇性地形成細絲來表示數(shù)據(jù)。ReRAM 和 PCRAM 還有望實現(xiàn)和編輯多個電阻率中間形態(tài)，以便在每單個存儲器單元中存儲多位數(shù)據(jù)。ReRAM 和 PCRAM 這兩類存儲器可以跟 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 存儲器類似，可以實現(xiàn) 3D 結(jié)構(gòu)排列，存儲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)動器更快的讀取性能。這使得 ReRAM 和 PCRAM 在云計算、大數(shù)據(jù)中心方面非常有吸引力。ReRAM 還是未來存儲器內(nèi)計算架構(gòu)的首選產(chǎn)品，在這一架構(gòu)中，計算元件將集成到存儲器陣列中，協(xié)助克服與 AI 計算相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸。隨著當今的數(shù)據(jù)產(chǎn)生呈指數(shù)級增長，對于云數(shù)據(jù)中心連接服務(wù)器和存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)路徑，其速度和功耗也需要實現(xiàn)跨數(shù)量級的改進。

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，更物美價廉（微縮性好、單位面積小、成本低）的新型存儲器 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，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，更快實現(xiàn)「智力」升維。我們來看看三種新型存儲落地如何。

PCM 目前產(chǎn)業(yè)化進展最快, 主要用于獨立式存儲領(lǐng)域。英特爾和美光聯(lián)合研發(fā)的 3DXpoint 存儲器是目前唯一大規(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, 同時還提供了配套的各類驅(qū)動程序, 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)進入產(chǎn)業(yè)化階段, 主要用于嵌入式存儲。

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, 延長待機時間。

MRAM 也有少量獨立式存儲應(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 飛機使用 MRAM 作為機上存儲器。

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)換磁性隨機存儲器）為代表。Everspin 是一家設(shè)計、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，擴展至 12 nm FinFET 平臺，通過縮小制程有助于雙方進一步拉低 1Gb 芯片成本。Everspin 在數(shù)據(jù)中心、云存儲、能源、工業(yè)、汽車和運輸市場中部署了超過 1.2 億個 MRAM 和 STT-MRAM 產(chǎn)品。

三星和臺積電已經(jīng)開始將 MRAM 應(yīng)用于嵌入式存儲中, 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。臺積電在 2020 年集成電路設(shè)計領(lǐng)域最高級別的國際會議 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, 獨立式 MRAM 市場較小, 三星、臺積電等企業(yè)將大力推動嵌入式市場。

RRAM 目前尚無大規(guī)模商用。