Active存储知识：新型存储盘点，谁会是继任者？
几年前，IDC预测，到2025年，普通人每天与联网设备的互动次数将达到4800次。从这些传感器涌入的信息将推动机器学习、语言处理和人工智能，所有这些都需要快速存储和更大的计算能力。下一代内存技术将解决当前存储层次结构中的缺陷，将数据交付到需要实时处理的地方。
新兴的存储器技术保证了在没有SRAM和DRAM的高成本或功耗的情况下，将大量数据保持在离处理器更近的位置。大多数都是非易失性的，就像SSD内部的NAND闪存，而且比NVMe附加的固态硬盘快得多。
在本文里，我们将研究六种新型存储技术，它们可以解决即将到来的大数据瓶颈。当中主要介绍了英特尔的Optane、两种类型的磁阻RAM（MRAM）和电阻随机存取存储器（ReRAM）、纳米管RAM、铁电RAM和相变存储器。
首先我们看一下新内存技术的主要优点：
Intel Optane DC持久内存: 针对数据中心工作负载调整的非易失性高容量内存。可通过内存操作或块存储访问。
MRAM：非易失性存储器，可以完全断电，然后快速唤醒，以便在物联网应用程序中进行快速写入。
ReRAM：承诺将在数据中心的DRAM和flash之间架起一座桥梁。整个数据库存储在快速、非易失性的ReRAM中将彻底改变内存计算。
纳米管RAM：非易失性存储器，具有DRAM级的性能和令人难以置信的数据保留能力。与DDR协议的兼容性意味着我们可以看到配备NRAM的DIMM能够插入内存插槽。
相变存储器：与当今的NAND闪存类似，相变存储器是非易失性的。具有更好的写入性能，出色的耐久性和更低的功耗的潜力。
铁电RAM：尽管它的密度很低，但在数据持久性、低功耗和几乎无限写持久性的应用中，它是SRAM的一个可行替代品。
为大数据做准备
计算性能的增长速度是数据访问技术无法比拟的。当大规模并行CPU或专门构建的加速器耗尽超高速缓存或高速系统内存时，它们被迫进入基于磁盘的慢速存储，以获取字节，并逐渐停止。更大的SRAM缓存有助于保持热（hot）数据在手边，丰富的DRAM为内存计算创造奇迹。然而，这两种类型的存储都很昂贵。它们本质上也是不稳定的，我们需要探索更好的方式来保存数据。而通过增加这两种存储的方法来解决等待实时分析的庞大数据量的方法都是不经济。
英特尔非易失性内存解决方案部门的高级副总裁兼总经理Rob Crooke这样总结了基本的挑战:“DRAM不足以解决当今的实时数据分析问题，传统的存储速度又不够快。”
上图：新兴的存储技术有助于缩小flash和DRAM之间的差距，前者容量大但速度相对较慢，而DRAM速度快但容量有限。
据介绍，该公司的Optane技术适用于拉近系统内存和基于闪存的固态硬盘之间日益增长的差距，可能会增强分析、人工智能和内容交付网络。DRAM非常适合内存处理，但它的容量也有限。当固态硬盘扩展到大规模部署时，每千兆字节的SSD成本要低得多。它们只是没有实时事务操作的性能。而Optane被设计来“连接这两个世界”。
Optane采用独特的架构，该架构由堆叠在密集的三维矩阵中的可单独寻址的存储单元组成。英特尔并未透露其基于Optane打造的设备中使用的技术的具体信息。但是，我们确实知道Optane可以像DRAM或SSD一样工作，而这具体取决于其配置。
英特尔的Optane DC持久性内存放入连接到CPU内存控制器的标准DIMM插槽中。它最大可提供512GB的容量，可容纳的数据量是最大DDR4模块的几倍。断电时，在App Direct模式下运行的Optane DC永久内存DIMM的有关信息将保留。相反，诸如DRAM之类的易失性存储技术如果不经常刷新，则会迅速丢失数据。软件确实需要针对英特尔的技术进行优化。但是，正确的调整可以让性能受限的应用程序以低延迟的内存操作访问Optane DC永久内存。
另外，也可以在内存模式下使用DIMM，将它们与易失性内存共存以扩展容量。无需重写软件即可在“内存模式”下部署Optane DC永久内存。
这项技术也可以用于英特尔所谓的“应用程序直接存储”（ Storage Over App Direct Mode）模式，在这种模式下，可以通过标准的文件API访问持久内存地址空间。希望使用块存储的应用程序可以直接访问Optane DC持久存储模块的应用程序区域，而不需要进行任何特殊的优化。与在I/O总线上移动数据相比，这样做的好处是提高了性能。
不管应用程序如何使用Optane DC永久存储器，该技术的优势都一样：容量，性能和持久性。内存占用量大的数据中心应用程序（认为云和基础架构即服务）是直接受益者。内存数据库，存储缓存层和网络功能虚拟化也是如此。
MRAM在边缘展现出优势
Optane的主要目标是数据中心，而磁阻存储器(MRAM)在很多物联网设备上都有应用前景。
让我们来看看应用材料公司记忆组的常务董事Mahendra Pakala博士的一篇博客文章中的一个例子。它使用了一个带有语音和面部识别的安全摄像头，作为MRAM良好工作的一个例子。你希望摄像头在边缘处理尽可能多的数据，只上传对云计算有意义的信息。然而，功耗成为当中一个最受关注的问题。但Pakala博士表示，如今的边缘设备主要使用的是SRAM存储器，这种存储器每个cell最多可使用6个晶体管，而且可能会受到高有源漏电功率（high active leakage power）的影响，从而影响效率。作为一种替代方案，MRAM可以将使晶体管密度提高数倍，从而实现更高的存储密度或更小的芯片尺寸。更大的容量，更紧凑的芯片，更低的功耗，听起来像是所有处于边缘处理器的胜利。
MRAM中的数据是由一对铁磁板形成的磁性元件来存储的，这对铁磁板之间由薄的介电隧道绝缘体隔开。其中一个板块的极性是永久性的，而另一个板块的磁化强度会改变，以存储0和1。这些板块在一起形成了一个磁性隧道结(MTJ)，组成内存设备的构件。
与Optane一样，MRAM也是非易失性的。Everspin Technologies是MRAM技术的领导者之一，该公司表示，存储在其Toggle MRAM中的数据在常温下可以保存20年。MRAM也非常快。Everspin声称同时读写延迟在35ns范围内。这接近于SRAM所“吹嘘”的性能，使得MRAM成为当今几乎所有易失性存储器的有吸引力的替代品。
与传统的DRAM和闪存相比，MRAM的一个明显差距在其容量方面。如Everspin最近发布了一个32Mb的设备。但相比之下，最大的每单元4位的NAND部件提供了4Tb的密度。但MRAM更有理由在物联网和工业应用领域脱颖而出，因为其性能、持久性和无限的续航能力足以弥补其容量的不足。
STT-MRAM则是磁阻技术(magneto-resistive)的一种变体，其工作原理是利用极化电流(polarizing current)操纵电子自旋。它的机制比切换MRAMs需要更少的转换能量，从而降低了功耗。STT-MRAM也具有更好的可伸缩性。Everspin的独立MRAM有256Mb和1Gb的密度。像Phison这样的公司可以将其中的一个放到flash控制器旁边，并获得惊人的缓存性能和额外的断电保护。你不必担心购买内置电池备份的SSD。进行中的数据传输始终将是安全的，即使在意外停机的情况下也是如此。
英特尔（Intel）、台积电（TSMC）和联电（UMC）等代工厂对STT-MRAM感兴趣的另一个目的是：他们希望将其嵌入微控制器中。这些设计中目前使用的NOR闪存很难扩展到较小的制造节点，而MRAM的集成更经济。实际上，英特尔已经发表了一篇论文，展示了其可将22nm FinFET低功耗工艺与7.2Mb MRAM阵列集成的可量产方案。该公司表示，MRAM作为嵌入式非易失性存储器，是具有片上启动数据要求的IoT、FPGA和芯片组的潜在解决方案。
ReRAM可能是内存计算的解决方案
在宣布成功将MRAM与22FFL制造集成几个月后，英特尔还在国际固态电路会议上发表了一篇演讲，介绍了一种嵌入同一进程节点的3.6Mb电阻随机存取存储器（ReRAM）宏（macro）。
ReRAM是另一种类型的非易失性存储器，它宣扬低功耗、高密度以及介于DRAM和闪存之间的性能。然而，MRAM的特性预示着物联网设备的生命，但ReRAM正在为数据中心事业做准备，以缩小服务器内存和SSD之间的差距。
有几家公司正在开发使用多种材料的ReRAM。例如，Crossbar的ReRAM技术使用了一种夹在顶部和底部电极之间的硅基开关材料。当电极之间施加电压时，在电介质中形成nanofilament ，形成低电阻路径（ low-resistance path）。然后filament 可以通过另一个电压复位。英特尔则使用了一种位于氧气交换层（oxygen exchange layer）下的氧化钽（tantalum oxide）high-K介质，在电极之间创建了空缺（vacancies ）。这两个cell在组成上不同，但是执行相同的功能，与NAND闪存相比，具有更快的读写性能。
应用材料公司的Pakala博士则表示 ，ReRAM似乎是内存计算中最可行的存储技术，数据保存在RAM中而不是磁盘的数据库中。“可以利用欧姆定律和基尔霍夫定律在阵列内完成矩阵乘法，而无需将权重移入或移出芯片。多级单元架构有望将存储密度提高到一个新的水平，从而可以设计和使用更大的模型。”在DRAM中处理这些模型的成本非常高，这就是ReRAM的成本优势如此令人鼓舞的原因。
上图：CrossBar的ReRAM可以嵌入SoC中，以实现快速、非易失的板载存储。
纳米管RAM瞄准DRAM
纳米管RAM是一种非易失性存储器，它具有DRAM级的性能和令人难以置信的数据保留能力。与DDR协议的兼容性意味着我们可以看到配备NRAM的DIMM能够插入内存插槽。而由Nantero开发的NRAM是由碳纳米管(CNT)存储单元组成的，它能够以极具竞争力的价格提供极好的性能，数据持久性(如SSD中的NAND闪存)，待机模式下的零功耗，以及出色的保存性。
上图:CNT存储单元的设置和复位状态由高电阻和低电阻定义，它们对应于1和0。
每个CNT单元由沉积在两个电极之间的数百个碳纳米管组成。在电极之间施加的开关电压迫使管子连接或断开，从而导致电阻变化，该电阻对应于1和0。分子力足以有效地维持这些状态，以使Nantero即使在300°C时也能拥有300多年的数据保留能力。
对于与DRAM一样快的持久性内存技术（也称为内存类存储），业务案例并不缺乏。但在今年的存储开发者大会上，Nantero的首席系统架构师Bill Gervasi让我们领略了NRAM的世界。
“我们的碳纳米管存储器是作为一个交叉点来实现的。我们要做的是取这些交点，然后在它前面放一个DDR4或DDR5 PHY。我们正在做的是把DDR协议转换成我们的内部结构。”
上图：如果内存类存储能够从配备NRAM的DIMM运行所有工作负载，那这项技术的兴起可能就是革命性的
同时担任JEDEC非易失性存储器委员会（JEDEC non-volatile memory committee）主席的格瓦西（Gervasi）接着描述了一种使用与DDR要求兼容的技术（如NRAM）替代DRAM的技术。这些新模块很快将为完全无存储系统铺平道路。
任何想要在主存中安装应用程序的人都应该对内存类存储的影响感到非常兴奋，特别是因为提出的NVRAM标准增强了DDR5协议，支持每个设备128Tb(或16TB)。特别是对于内存内计算来说，每个DIMM的内存槽会有大量的NRAM。
相变存储器:Optane可以证明这是可行的
在前面，我们介绍了Intel的Optane DC持久内存。但我们没有确定Optane的底层技术，这是被Intel严密保护的。话虽如此，但近两年的行业分析表明，Optane是一种相变存储器(PCM)。由于Optane已经在产生收益，到2029年，其他PCM也很有可能实现进入一个价值高达200亿美元的新兴内存市场。
图：通过改变温度，可以将硫属化物玻璃置于无定形或结晶状态，从而影响其电阻。
相变技术利用了硫系玻璃（chalcogenide glass）的新颖性能。短暂地施加高温，让玻璃冷却，使其进入无定形状态，并具有高电阻。我们再把它加热到一个较低的温度，时间长了之后，合金（ alloy ）就会恢复到低电阻的结晶状态。
与闪存相比，PCM提供了更好的写入性能。该技术还应提供更高的耐用性，更低的功耗和更快的访问时间，这些都是满足数据密集型计算引擎所需的特性。
在2019年闪存峰会的一次演讲中，MKW Ventures咨询公司的Mark Webb预测，由英特尔以外的公司提出的基于pcm的芯片将在2020年出现。IBM、美光(Micron)、三星(Samsung)、意法半导体(STMicroelectronics)和西部数据(Western Digital)也都是这一领域的参与者。英特尔可以优化其处理器和架构，最大限度地从Optane的功能中获益，因此它在任何即将到来的战斗中都享有很大的优势。然而，在简化PCM技术方面还有很多工作要做，这可能会加剧竞争。
Abu Sebastian和他在IBM的研究团队正在探索仅使用一种化学元素-锑（antimony）来制造更小，更致密，更高效的PCM。尽管他们仍在努力使材料在室温下不会快速结晶，但研究人员认为他们可以增加其保留时间。如果成功，那么确保材料的一致性会变得更加容易，从而有可能提高耐久度。
FRAM填补了重要位置
上文提到的所有存储技术都是非易失性的。然而其他方法提供了创新的方法来使大量持久性数据更接近计算资源，但铁电RAM（FRAM）仅在密度高达8MB的情况下可用。换句话说，您不会很快看到它位于服务器CPU的两侧。
然而，在持久性(本质上是无限的写持久性)和非常低的功耗优先于成本或容量的应用中，FRAM确实可以发挥作用。Cypress Semiconductor和富士通(Fujitsu)是FRAM在大容量应用领域的合作伙伴，它们认为智能电表、汽车信息娱乐、可穿戴电子设备和车辆数据记录器是该技术的优势应用领域。
上图:锆钛酸铅(PZT)分子中的正电荷离子可能处于两种低能态之一。这形成了FRAMs用来存储数据的铁电性质。
和DRAM一样，FRAM是基于一个晶体管、一个电容的存储单元设计。但是FRAM独特地使用具有铁电性质的材料作为其电容介质。电介质的每个分子中间都有一个带正电荷的离子，它具有两种相等的低能态，可以通过向一个方向或另一个方向施加电场来设置。当电力中断，电压降低时，这些状态保持不变。
但是由于存储单元电容器需要保持足够的电荷以用于检测放大器以检测1和0，因此FRAM单元很大。几家公司正在探索具有更好扩展前景的传统FRAM的替代方法。例如，FMC正在使用氧化铪（已经是标准高k金属栅晶体管中的栅绝缘体）对其进行改性，以赋予材料铁电性能。
上图:根据FMC，任何逻辑晶体管都可以通过赋予其氧化铪绝缘体铁电特性而转变成存储器。
业界仍在努力完善这种所谓的FeFET，但其扩大铁电存储器技术应用范围的潜力正引起关注。如果任何一种逻辑晶体管都能变成一个存储单元，FeFET最终可能会比嵌入式闪存或与之竞争的非易失性存储器技术具有更高的性能、更低的功耗、更易于制造。在物联网应用、消费电子产品和汽车存储领域保持FeFET的关注。该技术固有的抗篡改性能非常适合于增强卡芯片上的数据安全性，而辐射硬度能够经受住医疗和航空航天环境的严酷考验。
我们需要新的存储技术
随着需求的增加，DRAM和flash似乎已经无法跟上生成的大量数据的需求。每个公司似乎都有存储层次结构的可视化表示，在这两种技术之间有一些差距。这个问题只会变得更糟。
上图:DRAM和NAND闪存之间可能存在多种非易失性内存技术。
分析师Mark Webb认为，DRAM将在未来五年内继续扩展。但是，它的速度正在放缓，而DRAM易失的事实为数据丢失打开了大门。至少NAND存储器具有持久性。但是随着flash规模缩放，耐用性和性能会受到打击。因此，确实没有一种技术是理想的。
作为回应，业界正在努力寻找一种通用内存，这种内存能够提供DRAM级的性能、数据持久性、无限的持久性以及比NAND的每比特成本更低。敬请期待。我们亟需一种新的存储方法。
而我们也必须承认，我们上面讨论的新兴记忆中没有一个符合所有这些条件，但两者的结合将保持大数据的流动。不过随着数据处理需求的增长，我们必须密切关注存储类内存和内存类存储之类的术语。在这些保护伞下，新出现的记忆将被分类，增强DRAM和NAND闪存。
而Energias Market Research预计，MRAM市场从现在到2025年将迅速增长，复合年增长率也将高达 49.6%，解释这个市场容量将达到12亿美元。Coughlin Associates预测，3D XPoint memory——Optane的核心技术——到2028年将把英特尔的收入提高到160亿美元。我们也的确需要新的内存来解决即将到来的闪存、DRAM和SRAM的限制。
各大新兴技术应该努力，因为未来也不一定只有一个赢家。
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