談談新型存儲

存儲器是半導體的重要市場之一，其約占據了半導體近1/3的市場份額。其中，從存儲芯片細分產品來看，DRAM和NAND Flash占據了存儲芯片95%以上的市場份額，NOR閃存占比1%，其他存儲芯片份額較小。

DRAM讀寫速度快，斷電后數據無法保存，長期以來一直是計算機、手機內存的主流方案。計算機的內存條（DDR）、顯卡的顯存（GDDR）、手機的運行內存（LPDDR），都是DRAM的一種；NAND Flash屬于數據型閃存芯片，可以實現大容量存儲，且斷電后數據不會丟失，但讀寫速度較慢，被廣泛用于eMMC/EMCP、U盤、SSD等市場。

回顧存儲器的發(fā)展歷程來看，其技術演進路線主要取決于應用場景的變化。

上世紀70年代起，DRAM進入商用市場，并以其極高的讀寫速度成為存儲領域最大分支市場；功能手機出現后，迎來NOR Flash市場的爆發(fā)；進入PC時代，人們對于存儲容量的需求越來越大，低成本、高容量的NAND Flash成為最佳選擇。

如今，隨著萬物智聯(lián)時代的到來，5G、人工智能、智能汽車等新興應用場景對數據存儲在速度、功耗、容量、可靠性等層面提出了更高要求。DRAM雖然速度快，但功耗大、容量低、成本高，且斷電無法保存數據，使用場景受限；NOR Flash和NAND Flash讀寫速度低，存儲密度受限于工藝制程。

當傳統(tǒng)路徑中延續(xù)性技術創(chuàng)新的弊端已經暴露出來，市場亟待能夠滿足新場景需求的存儲器產品，新型存儲迎來機會窗口。

與此同時，今年存儲市場逐漸遇冷，價格連續(xù)下跌，存儲行業(yè)進入下行周期；英特爾關閉傲騰業(yè)務空出20億高速增長的市場缺口；日益嚴重的“存儲墻”和“性能墻”問題對計算系統(tǒng)的制約以及CXL協(xié)議的推出等等因素之下，新型存儲憑借顛覆性的技術創(chuàng)新路徑，迎來趕超傳統(tǒng)存儲技術寡頭的一次機會。

據Objective Analysis和Coughlin Associates發(fā)布的報告顯示，新型存儲器已經開始增長，預計到2032年市場規(guī)模將會攀升至440億美元，迎來廣闊的市場空間。

新型存儲知多少？

目前，新型存儲器主要有PCM、MRAM、FRAM、ReRAM存儲器，以及DNA存儲、Racetrack內存等諸多新興技術。同時，存內計算（存算一體）也正在成為解決當前存儲挑戰(zhàn)的熱門趨勢之一。

相變存儲器PCM

相變存儲器，Phase-change RAM，簡稱PCM或PCRAM。

PCM的原理是通過改變溫度，讓相變材料在低電阻結晶（導電）狀態(tài)與高電阻非結晶（非導電）狀態(tài)間轉換。

PCM原理圖（圖源：Intel）

PCM技術特點：

低延時、讀寫時間均衡：PCM在寫入更新代碼之前不需要擦除以前的代碼或數據，所以PCM讀寫速度比NAND Flash有所提高，讀寫時間較為均衡。

壽命長：PCM讀寫是非破壞性的，故其耐寫能力遠超過閃存，用PCM來取代傳統(tǒng)機械硬盤的可靠性更高。

功耗低：PCM沒有機械轉動裝置，保存代碼或數據也不需要刷新電流，故PCM的功耗比HDD、NAND、DRAM都低。

密度高：部分PCM采用非晶體管設計，可實現高密度存儲。

抗輻照特性好：PCM存儲技術與材料帶電粒子狀態(tài)無關，故其具有很強的抗空間輻射能力，能滿足國防和航天的需求。

雖然PCM有諸多優(yōu)勢，但其RESET后的冷卻過程需要高熱導率，會帶來更高功耗，且由于其存儲原理是利用溫度實現相變材料的阻值變化，所以對溫度十分敏感，無法用在寬溫場景。其次，為了使相變材料兼容CMOS工藝，PCM必須采取多層結構，因此存儲密度過低，在容量上無法替代NAND Flash。除此之外，成本和良率也是瓶頸之一。

大家都比較熟悉的Intel和Micron合作開發(fā)的3D XPoint技術，就是PCM的一種。

3D Xpoint技術在非易失存儲器領域實現了革命性突破，雖然其速度略微比DRAM慢，但其容量卻比DRAM高，比閃存快1000倍。但缺點也較為明顯，3D Xpoint采用堆迭結構，一般是兩層結構。因為堆迭層數越多，需要的掩模就越多，而在整個IC制造工業(yè)中，掩模板成本占比最大。因此，從制造的角度來說，要想實現幾十層的3D堆迭結構非常困難。

隨著英特爾傲騰內存業(yè)務的關閉，3D XPoint內存技術也走到了盡頭。

磁性存儲器MRAM

磁性存儲器，Magnetic RAM，簡稱MRAM，是一種基于隧穿磁阻效應的技術。

目前主流的MRAM技術是STT MRAM，使用隧道層的“巨磁阻效應”來讀取位單元，當該層兩側的磁性方向一致時為低電阻，當磁性方向相反時，電阻會變得很高。

MRAM原理圖

MRAM技術特點：

非易失：鐵磁體的磁性不會由于斷電而消失，故MRAM具備非易失性。

讀寫次數無限：鐵磁體的磁性不僅斷電不會消失，而是幾乎可以認為永不消失，故MRAM和DRAM一樣可以無限次重寫。

寫入速度快、功耗低：MRAM的寫入時間可低至2.3ns，并且功耗極低，可實現瞬間開關機并能延長便攜機的電池使用時間。

和邏輯芯片整合度高：MRAM的單元可以方便地嵌入到邏輯電路芯片中，只需在后端的金屬化過程增加一兩步需要光刻掩模版的工藝即可。再加上MRAM單元可以完全制作在芯片的金屬層中，甚至可以實現2-3層單元疊放，故具備在邏輯電路上構造大規(guī)模內存陣列的潛力。

MRAM性能較好，但臨界電流密度和功耗仍需進一步降低。目前MRAM的存儲單元尺寸仍較大且不支持堆疊，工藝較為復雜，大規(guī)模制造難以保證均一性，存儲容量和良率爬坡緩慢。在工藝取得進一步突破之前，MRAM產品主要適用于容量要求低的特殊應用領域，以及新興的IoT嵌入式存儲領域。

阻變存儲器ReRAM

阻變存儲器，全稱為電阻式隨機存取存儲器，Resistive Random Access Memory，簡稱為ReRAM或RRAM。

ReRAM是以非導性材料的電阻在外加電場作用下，在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間實現可逆轉換為基礎的非易失性存儲器。作為結構最簡單的存儲技術，ReRAM結構看上去像一個三明治，絕緣介質層（阻變層）被夾在兩層金屬之間，形成由上、下電極和阻變層構成金屬-介質層-金屬（MIM）三層結構。

導電細絲在阻變層中呈現導通或斷開兩種狀態(tài)：非易失性的低阻態(tài)或高阻態(tài)，從而實現了“0”，“1”狀態(tài)的區(qū)分和存儲。

ReRAM包括許多不同的技術類別，目前主流的技術路線主要有：氧空缺存儲器OxRAM、導電橋存儲器 CBRAM、金屬離子存儲器MeRAM以及納米碳管CaRAM，通常是通過將金屬離子或氧空位等導電元素移動到橋中，或者通過將它們從現有橋中移除，來表示1或者0。

ReRAM技術特點：

高速度：ReRAM擦寫速度由觸發(fā)電阻轉變的脈沖寬度決定，一般小于100ns。

耐久性：ReRAM讀寫和NAND不同，采用的是可逆無損害模式，從而可以大大提高其使用壽命。

具備多位存儲能力：部分ReRAM材料還具備多種電阻狀態(tài)，使得單個存儲單元存儲多位數據成為可能，從而提高存儲密度。

ReRAM可以將DRAM的讀寫速度與SSD的非易失性結合于一身，擁有上述多個優(yōu)勢，多用于神經擬態(tài)計算領域，基于ReRAM的類腦計算還能在中長期突破馮·諾伊曼計算架構瓶頸，它支持多種不同的AI算法，還具有算力高、功耗低等特點。

從密度、能效比、成本、工藝制程和良率各方面綜合衡量，ReRAM存儲器在目前已有的新型存儲器中具備明顯優(yōu)勢。此外，ReRAM的材料需求種類和額外的光罩數量更少，可以實現更低的生產成本。同時，業(yè)界普遍認為ReRAM能夠充分滿足神經形態(tài)計算和邊緣計算等應用對能耗、性能和存儲密度的要求，預期將在AIoT、智能汽車、數據中心、AI計算等領域獲得廣泛的運用，被認為是實現存算一體的最佳選擇之一。

但ReRAM器件還并不完全成熟，它仍有器件非理想性、基于高精度模數轉換器的讀出電路，以及ReRAM設備中非線性的以及不對稱電導更新后會嚴重降低訓練的準確度等構成的問題。

鐵電存儲器FRAM

鐵電存儲器，簡稱FRAM或FeRAM，FRAM采用鐵電晶體材料作為存儲介質，利用鐵電晶體材料電壓與電流關系具有特征滯后回路的特點來實現信息存儲。

FRAM結構圖

FRAM技術特點：

非易失性：斷電后數據不會丟失，是非易失性存儲器；

讀寫速度快：無延時寫入數據，可覆蓋寫入；

壽命長：可重復讀寫，重復次數可達到萬億次，耐久性強，使用壽命長；

功耗低：待機電流低，無需后備電池，無需采用充電泵電路；

可靠性高：兼容CMOS工藝，工作溫度范圍寬，可靠性高。

FRAM產品將ROM的非易失性數據存儲特性和RAM的無限次讀寫、高速讀寫以及低功耗等優(yōu)勢結合在一起。FRAM產品包括各種接口和多種密度，像工業(yè)標準的串行和并行接口，工業(yè)標準的封裝類型，以及4Kbit、16Kbit、64Kbit、256Kbit和1Mbit等密度。

FRAM憑借諸多特性，正在成為存儲器未來發(fā)展方向之一，根據新思界產業(yè)研究中心發(fā)布的《2022-2027年中國FRAM（鐵電存儲器）行業(yè)市場深度調研及發(fā)展前景預測報告》顯示，FRAM存儲密度較低，容量有限，無法完全取代DRAM與NAND Flash，但在對容量要求不高、讀寫速度要求高、讀寫頻率高、使用壽命要求長的場景中擁有發(fā)展?jié)摿?。FRAM可以應用于消費電子領域，比如智能手表、智能卡以及物聯(lián)網設備制造中；汽車領域，比如高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）制造；工業(yè)機器人領域，比如控制系統(tǒng)制造等領域。

目前主流的鐵電材料主要是鋯鈦酸鉛（PZT）和鉭酸鍶鉍 (SBT)，但其存在疲勞退化問題，并導致對環(huán)境的污染。目前氧化鉿 (HfO2) 中被發(fā)現存在鐵電相，可以通過將硅 (Si) 摻雜到 HfO2中來穩(wěn)定鐵電相，且不會污染晶圓廠。盡管如今HfO2并未用于生產FRAM，但它具有廣闊的前景，業(yè)界正在研究這一技術路線。

主流存儲技術與新型存儲技術對比

新型內存技術已經出現幾十年，如今發(fā)展到一個在更多應用中表現更重要的關鍵期。通過上述各種存儲技術對比能看到，新型存儲器優(yōu)勢明顯，具備超強性能，延遲堪比內存，而且具備超長壽命及可靠性，耐高溫等特性。

由于未來的制程微縮和規(guī)模經濟提升將促使價格降低，并開始將新興內存作為獨立芯片以及嵌入于ASIC、微控制器(MCU)以及甚至運算處理器中，從而使其變得比現有的內存技術更具競爭力。

同時，新型存儲的發(fā)展也推動了存算一體技術的創(chuàng)新和迭代。

存算一體迎來突破？

在馮·諾伊曼架構之下，存儲單元和計算單元獨立分開，搬移數據的過程需要消耗大量時間和能量，并且由于處理器和存儲器的工藝路線不同，存儲器的數據訪問速度難以跟上CPU的數據處理速度，性能已遠遠落后于處理器。所以，馮諾依曼架構在數據處理速度和能效比等方面存在天然限制，這被稱為“存儲墻”。

存算一體架構通過將存儲單元和計算單元融為一體，消除了數據訪存帶來的延遲和功耗，是解決存儲墻問題的最佳方案之一，實現更高的算力和更高的能效比。

存算一體突破存儲墻

（圖源：云岫資本）

當前的存算一體技術路徑中，既有使用DRAM、SRAM、NAND等傳統(tǒng)存儲器的方案，也有使用ReRAM、PCM、MRAM等新型存儲器的方案。

前者由于存儲器制造工藝和邏輯計算單元的制造工藝不同，無法實現良好的融合，目前只能實現近存計算，仍存在存儲墻問題，甚至因為互連問題可能還會帶來性能損失。并且，因為SRAM和DRAM是易失性存儲器，需要持續(xù)供電來保存數據，仍存在功耗和可靠性的問題。

后者則是結合非易失性新型存儲器，可以利用歐姆定律和基爾霍夫定律在陣列內完成矩陣乘法運算，而無需向芯片內移入和移出權重。新型存儲器是通過阻值變化來存儲數據，而存儲器加載的電壓等于電阻和電流的乘積，相當于每個單元可以實現一個乘法運算，再匯總相加便可以實現矩陣乘法，所以新型存儲器天然具備存儲和計算的屬性。

在這種情況下，同一單元就可以完成數據存儲和計算，消除了數據訪存帶來的延遲和功耗，是真正意義上的存算一體。

除了上述提到的當前較為成熟的四大新型存儲之外，Racetrack內存、DNA存儲等新興技術也在不斷涌現。

Racetrack內存

Racetrack內存，又稱磁疇壁內存（domain-wall memory，DWM），是一種新的內存技術，利用磁性納米管中的原子來存儲信息，每通過一個晶體管可以讀出16位數據，因此其讀寫信息的速度比閃存快10萬倍。

同時，Racetrack內存可以保存大量可以非常快速地訪問的數據，資料儲存密度比現有的閃存還高，與現有的硬盤技術接近，可以作為通用型內存（Universal memory）使用。

與其他內存技術相比，Racetrack內存可能具有無與倫比的密度，Racetrack 存儲器與閃存一樣是固態(tài)的，沒有笨重的移動部件，并且是非易失性的，即使在斷電后也能存儲數據。

這些設備不僅能夠在同樣的空間內存儲更多的信息，而且其所需的電量及產生的熱量也要少得多，同時幾乎不會損壞。其結果是海量的個人存儲內容僅使用一塊電池便可運行幾個星期，而且這些內容幾十年也不用擔心損壞。

Racetrack內存仍然處于研究的初期，迄今為止，大多數關于Racetrack存儲的研究都集中在2D設備上?？茖W家們正在探索建立3D Racetrack存儲的許多不同方法。實現三維構建的賽道內存將不遵從于摩爾定律，將為開發(fā)成本更低、速度更快的設備提供新的可能性。

DNA存儲

為了尋找更高效能的存儲載體，研究者將目光對準到了自然界中遺傳信息的載體DNA。

DNA存儲是一種以生物大分子DNA作為信息載體的存儲技術，具有容量大、密度高、能耗低和存儲時間長等優(yōu)點。

技術層面上來看，DNA存儲已經被證明是可行的。

前不久，天津大學合成生物學團隊創(chuàng)新了DNA存儲算法，將十幅精選敦煌壁畫存入DNA中，通過加速老化實驗驗證壁畫信息在實驗室常溫下可保存千年，在9.4℃下可保存兩萬年。

這項技術不僅證實了DNA是可靠的存儲介質，同時也使信息存儲技術進入一個新時代。DNA存儲技術更適用于存儲重要且無需經常訪問、調用的“冷數據”?！袄鋽祿痹诮咏隳芎牡那闆r下，理論上來看可保存千年以上。在未來DNA存儲極有可能成為龐大冷數據存儲的主要存儲介質。

DNA存儲是一個新興的、多學科深度交叉融合的技術，近幾年DNA存儲的研究已經取得了一些突破。DNA 已經被研究人員用來以不同的方式管理數據，這些研究人員正在努力理解海量數據。但目前DNA存儲技術的落地還存在一些技術難題，想要把實驗室的樣品變成市場上的產品，需要科研機構、高校、企業(yè)等通力合作。

寫在最后

隨著市場和技術不斷發(fā)展，AI、5G、IoT和工業(yè)4.0等使得數據量呈現爆炸式增長，全新的運算需求驅動存儲朝更高容量、高讀寫次數、更快讀寫速度、更低功耗方向發(fā)展。

如上文所述，當傳統(tǒng)路徑中延續(xù)性技術創(chuàng)新的弊端已經暴露出來，市場亟待能夠滿足新場景需求的存儲器產品，新型存儲迎來機會窗口。

然而，縱然當前主流存儲技術存在很多局限和挑戰(zhàn)，以及眾多新型存儲技術層出不窮，但現在說誰將勝出還為時過早，盡管新型內存技術的未來前景光明，但其仍然很難打入一些根深蒂固的技術市場。即使經濟效益有所提升，新型內存也很難快速顛覆現有市場的主導地位，只是在當前的市場現狀和境遇下，新型存儲憑借顛覆性的技術創(chuàng)新路徑，迎來了一次追趕傳統(tǒng)存儲技術寡頭的機會。

審核編輯：湯梓紅