數(shù)據(jù)存儲技術發(fā)展歷程簡述

人類文明誕生以來，科技的發(fā)展都離不開網(wǎng)絡、存儲和計算，而數(shù)據(jù)存儲的發(fā)展歷史悠久，堪稱萬年進化史。本文將從數(shù)據(jù)存儲技術最初的“形態(tài)”談起，陸續(xù)介紹數(shù)據(jù)存儲技術在不同時代的“故事”，最后介紹新時代的存儲“新發(fā)明”。人類文明誕生以來，科技的發(fā)展都離不開網(wǎng)絡、存儲和計算，而數(shù)據(jù)存儲的發(fā)展歷史悠久，堪稱萬年進化史。最初的遠古時代，人類利用結繩、刻字等方法記錄信息；造紙術和印刷術的發(fā)明使信息記錄、傳播發(fā)生了革命性變革；18世紀初期，工業(yè)革命開始萌芽，數(shù)據(jù)存儲技術經(jīng)歷了從打孔卡、磁存儲、硬盤到閃存、新型存儲階段的跨越；直到今天，DNA存儲、量子存儲、納米存儲技術的發(fā)明，人類探索高效存儲信息的腳步也從未停止。本文將從數(shù)據(jù)存儲技術最初的“形態(tài)”談起，陸續(xù)介紹數(shù)據(jù)存儲技術在不同時代的“故事”，最后介紹新時代的存儲“新發(fā)明”。

引言 ? ? ? ?

《周易·系辭》云：“上古結繩而治”。這句話對結繩記事的描述，記載著早期人類信息存儲的方式。在文字誕生之后，造紙術發(fā)明之前，人類開始采用在甲骨、竹簡、帛書等物件上記錄信息；待造紙術和印刷術發(fā)明后，書寫盛行，極大地促進了文化傳播與交流，加快了人類思想解放與社會進步。

數(shù)據(jù)存儲技術的發(fā)展，可以說是一段漫長而又充滿神奇色彩的歷程，承載著人類智慧與技術創(chuàng)新。從最早的打孔卡開始，它逐漸經(jīng)歷了磁存儲、硬盤、閃存，以及現(xiàn)在的云存儲；這一路的發(fā)展不僅見證了數(shù)據(jù)存儲技術的飛速進步，也反映了人類對信息記載與保存的不斷追求。

圖1 數(shù)據(jù)存儲技術發(fā)展歷程

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機械存儲時代

18世紀初，工業(yè)革命開始萌芽，數(shù)據(jù)存儲技術首次以機械化形式的打孔卡和打孔帶出現(xiàn)在公眾視野中，被用在提花織機和工業(yè)機器中。1846年，傳真機和電傳電報機的發(fā)明人Alexander Bain將打孔帶技術引入電報機，這是數(shù)據(jù)第一次被轉(zhuǎn)變?yōu)槎M制信息，大幅提升了工作效率；打孔卡和打孔帶直至80年代也仍被使用，持續(xù)了兩個多世紀。

1890年，為收集和統(tǒng)計美國人口普查數(shù)據(jù)，在打孔卡技術的基礎上，德裔美國統(tǒng)計學家Herman Hollerith發(fā)明了打孔卡制表機，僅耗費6周就完成了對美國人口普查的統(tǒng)計；1896年，他又創(chuàng)辦了制表機器公司（Tabulating Machine Company），即IBM公司的前身。因此，Herman Hollerith也被稱為現(xiàn)代機械數(shù)據(jù)處理之父。

打孔卡制表機的發(fā)明，帶來了巨大的效率提升，從而迅速普及，標志著半自動化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)時代的開始，后來逐漸被廣泛應用于工業(yè)檢索及數(shù)據(jù)統(tǒng)計領域；打孔卡制表機最多可記錄960 bits的信息數(shù)據(jù)，其中穿孔卡和穿孔紙帶類似于早期計算機中的輸入和輸出設備，原理是將程序和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進制代碼，其中帶孔為1，無孔為0，再經(jīng)過光電掃描輸入電腦。

圖3 穿孔紙帶順序控制原理

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磁存儲時代

打孔卡制表機畢竟屬于機械式存儲技術，雖然相比傳統(tǒng)人力有了較大提升，但仍存在存儲量低、故障率高等問題。18世紀末，電信號技術的發(fā)明宛如一陣清風，將磁介質(zhì)存儲時代的序幕緩緩拉開，人類開始進入由機械向電子過渡的階段；最早關于磁介質(zhì)的相關發(fā)現(xiàn)，是Oberlin Smith于1888年在英國《電氣世界》雜志上發(fā)表的一篇可采用磁性介質(zhì)記錄聲音的文章。

1898年，丹麥工程師Valdemar Poulsen將Oberlin Smith的想法付諸實踐，在電報機中引入了磁線技術，發(fā)明了人類第一個實用的磁聲記錄和再現(xiàn)設備，即磁線電報機，其原理是通過磁頭對聲音電信號進行傳輸和記錄。1928年，在磁線電報機的基礎上，德國工程師Fritz Pfleumer發(fā)現(xiàn)移動過程中的磁帶被磁化的程度會隨音頻信號電流的強弱而變化，從而能將音頻記錄在磁帶上，從而發(fā)明了錄音磁帶，錄音磁帶的發(fā)明標志著磁性存儲時代的正式開啟。

隨著工業(yè)化和信息化的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)信息需要更高效、更便捷的存儲方式，1932年，奧地利工程師Gustav Tauschek發(fā)明的磁鼓存儲器使得磁存儲技術躍上新臺階；它是一種利用高速旋轉(zhuǎn)的圓柱體磁性表面作記錄媒體的存儲設備，由磁鼓筒，磁頭，讀寫及譯碼電路和控制電路等主要部分組成，長度為16英寸，有40個磁道，每分鐘可旋轉(zhuǎn)12500轉(zhuǎn)，容量約為62.5KB；其原理是通過電磁感應進行信息的讀寫，在磁芯存儲器出現(xiàn)之前廣泛用于計算機內(nèi)存，同時也用于做二級存儲，被認為是機械硬盤（Hard Disk Drive，HDD）的前身。

第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，軍事需求大大刺激了算力的發(fā)展。1942年，美國愛荷華州立大學物理系副教授John Vincent Atanasoff和他的學生Clifford Berry設計制造了世界上第一臺電子計算機ABC（Atanasoff-Berry Computer），也稱為“珍妮機”；對于I/O設備，ABC使用了IBM的80列穿孔卡，采用真空管處理二進制數(shù)據(jù)，利用再生電容磁鼓存儲器對數(shù)據(jù)進行存儲。

在電子計算機誕生的浪潮下，人類算力正式進入數(shù)字電子計算機時代之前，人類還探索過幾條存儲路線。1946年，波蘭發(fā)明家Jan A. Rajchman團隊發(fā)明的靜電記憶管Selectron Tube是最早的隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM），使用靜電荷存儲數(shù)據(jù)在真空管內(nèi)，能夠短暫存儲大約4000字節(jié)。1947年，F(xiàn)reddie Williams和Tom Kilburn發(fā)明了類似原理的威廉姆斯-基爾伯恩管（Williams–Kilburn tube）并商用。IBM的第一臺商用科學計算機701就使用了72個該管做內(nèi)存，后來磁芯存儲器的出現(xiàn)取代了該存儲器。

在經(jīng)歷了兩次偏離于現(xiàn)代計算機存儲的過程后，J. Presper Eckert發(fā)明的汞（水銀）延遲線存儲器（Delay Line Memory）將探索路線拉回磁存儲“正軌”，其原理是通過用壓力波的傳播延遲來存儲數(shù)據(jù)；1945年，J. Presper Eckert和同事John Mauchly在之前的基礎上一起設計了第一臺通用電子計算機ENIAC，與現(xiàn)代RAM不同的是，其采用的延遲線存儲器的工作方式為順序存取，這大幅降低了計算效率，因此到20世紀50年代中期，延遲線存儲器基本已經(jīng)過時。

1947年，美國工程師Frederick Viehe首個申請了磁芯存儲器的專利；磁芯存儲器性能和可靠性高，成為了替代延遲線存儲器的“不二之選”。1948年，華裔科學家王安發(fā)明了“脈沖傳輸控制裝置”（Pulse transfer controlling device），實現(xiàn)了對磁芯存儲器的讀后寫（Write-after-Read）；其原理是磁芯根據(jù)磁化時電流的方向可以產(chǎn)生兩個相反方向的磁化，可作為0/1狀態(tài)來記錄數(shù)據(jù)；從20世紀50年代、60年代，直至70年代初，磁芯存儲一直被廣泛用于計算機的主存儲器，容量約為幾百字節(jié)。

1951年，磁帶首次被用于計算機上存儲數(shù)據(jù)，一盤磁帶可替代一萬張打孔紙卡，使用磁帶的設備有磁帶機、磁帶庫，商用計算機史上磁帶作為主要的I/O（輸入/輸出）設備的第一臺磁帶機稱為UNIVAC；磁帶可長期保存數(shù)據(jù)的特性使得其在影片與音樂上快速發(fā)展，1963年，飛利浦研制出全球首盤盒式磁帶，每面可容納30到45分鐘的立體聲音樂，大約可記錄0.66MB的數(shù)據(jù)；據(jù)說德國人之所以大力改進磁帶技術，是為了傳播希特勒的講話，而美國人則是為了傳播流行音樂。磁帶存儲因支持離線保存，壽命長，容量大且性價比高，至今仍在使用。

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硬盤時代

科技的腳步從未停止，誰也沒能想到一個重達一噸，兩個冰箱大小的機柜會改變我們看待和處理數(shù)據(jù)的方式。1956年，IBM發(fā)布了世界上第一塊硬盤IBM 350 RAMAC，它包含50個24英寸的盤片，能存儲500萬個字符，約5MB的數(shù)據(jù)，傳輸速度達10KB/s；IBM 350 RAMAC以旋轉(zhuǎn)的磁盤方式存儲數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)的可訪問性和可靠性，奠定了現(xiàn)當代大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲和處理的基礎，標志著人類正式進入硬盤時代。

IBM的創(chuàng)新并未止步于此，1962年，IBM發(fā)布了第一個可移動硬盤驅(qū)動器1311，它有6個14英寸的盤片，可存儲2.6MB數(shù)據(jù)。1973年，IBM又發(fā)明了Winchester（溫氏）硬盤3340，使用了密封組件、潤滑主軸和小質(zhì)量磁頭，這個時候的硬盤開始有了正確的結構，特點是工作時磁頭懸浮在高速轉(zhuǎn)動的盤片上方，而不與盤片直接接觸，現(xiàn)代硬盤的基本架構就此確立；容量為60MB，轉(zhuǎn)速略低于3000RPM，采用4張14英寸盤片，存儲密度為每平方英寸1.7MB。

在溫氏磁盤3340誕生之后，硬盤的發(fā)展方向主要體現(xiàn)在容量上的增大，以及體積上的減小。1980年，IBM推出了第一塊GB級別的硬盤；同年，一家還不出名，成立于1979年小公司希捷，發(fā)布了一款物美價廉的硬盤，開始與IBM爭搶HDD的市場；這款硬盤為ST-506，尺寸為5.25英寸，比3340小很多，容量為5MB，價格為1500刀；不久，希捷又發(fā)明了容量為10MB的ST-412。1983年，蘇格蘭公司Rodime也發(fā)布了世界上第一款3.5英寸硬盤，硬盤尺寸的持續(xù)變小使得其意義同樣深遠。

20世紀90年代，諾貝爾物理學獎得主Albert Fert和Peter Grunberg發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應，基于該效應研究的GMR巨磁阻效應磁頭技術，以及SMR瓦楞式堆疊磁盤技術，成功將HDD的磁道密度提升了上百倍。2007年是存儲技術重要里程碑的一年，日立于2003年收購了IBM硬盤事業(yè)部后，率先推出了TB級別的硬盤；該硬盤采用了垂直存儲技術，將盤片的磁場方向由平行變?yōu)榇怪?，更好充分利用了存儲空間。此外，垂直存儲技術能耗小，發(fā)熱量減小，改善了數(shù)據(jù)抵抗熱退減的能力，提高了硬盤的可靠性。

2010年，氦氣封裝技術量產(chǎn)，除了讓硬盤容量變大以外，溫度和能耗也降低了，耐用度和穩(wěn)定性獲得了大幅提升。2022年，希捷推出了容量為22TB，采用疊瓦式的HDD，刷新了HDD最大單盤容量的記錄。由于人們對少量數(shù)據(jù)的便捷存儲和交換需求的出現(xiàn)，另外，當時的存儲設備存在容量不足等問題，1971年，IBM發(fā)布了世界上第一張只讀8英寸的最早個人可移介質(zhì)，即軟盤，容量為80KB；1972年，軟盤容量增加至175KB，Alan Shugart幫助Memorex公司推出了第一款可讀/寫的軟盤Memorex 650；隨著技術的發(fā)展，1976年，5.25英寸軟盤問世，廣泛用于Apple II、IBM PC等兼容電腦上。

1980年，SONY開發(fā)了3.5英寸的軟盤，容量為1.44MB，容量的提升使軟盤成為當時計算機最主要的存儲設備之一，并逐漸成為市場標準。區(qū)別于早期的平行式存儲技術，它采用了磁場方向垂直于盤片表面的記錄方式，這種技術使得軟盤具有更高的存儲密度，此外，軟盤還采用了雙面雙層的記錄方式，能夠進一步提高存儲容量。從1971年直到20世紀90年代的近三十年內(nèi)，軟盤廣泛應用于個人電腦和其他電子設備，并帶動了計算機行業(yè)的快速發(fā)展。

軟盤容易損壞，并且沒有內(nèi)置的復制和粘貼功能，人們通常會手動抄寫數(shù)據(jù)或使用額外設備進行復制，相比之下，光盤的存儲容量、讀寫速度、可靠性都更優(yōu)秀。1965年，美國物理學家家James Russell發(fā)明了第一個Compact Disk/CD（數(shù)字-光學記錄和回放系統(tǒng)），Compact Disk是以模擬信號為存儲格式，主要通過激光掃描的方式來讀寫信息；真正意義上的世界第一部商用CD音頻播放器CDP-101，于1982年由SONY和PHILIPS公司發(fā)布，光盤就此開始普及，一張光盤可以存放約680MB的數(shù)據(jù)信息；隨著光盤容量逐漸擴大，1995年，IBM牽頭將高容量光盤標準統(tǒng)一合并成為DVD，重新定義為Digital Versatile Disc（數(shù)字多用途光盤），容量可達4.7GB。

在1956年第一張硬盤被發(fā)明的同時，閃存的發(fā)展也從未停止腳步，最早從只讀存儲器（Read-Only Memory，ROM）開始追溯，閃存也經(jīng)歷了從ROM到可電擦除可編程的只讀存儲器 EEPROM（Elecrically Erasable Programmable ROM，），NOR Flash和NAND Flash相繼被發(fā)明的階段。

上世紀50年代，集成電路發(fā)明之后，就有了掩膜編程的只讀存儲器MROM（Mask-programmed ROM），但這類傳統(tǒng)的ROM只可讀而不可擦除或修改，靈活性差。1956年，美國Bosch Arma公司的華裔科學家周文俊，正式發(fā)明了可編程的只讀存儲器PROM（Programmable ROM），其原理是通過釋放高壓脈沖以改變內(nèi)部構造，從而可實現(xiàn)內(nèi)容一次性修改或編程；早期的PROM主要用于軍事領域，后來逐漸應用于民用領域。

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閃存時代

1959年，可謂是半導體存儲里程碑式發(fā)明的一年，貝爾實驗室的工程師Mohamed M.Atalla與姜大元共同發(fā)明了金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)，MOSFET的發(fā)明奠定了半導體存儲器重要基礎元件的地位?；贛OS半導體器件，1967年，姜大元與華裔施敏又提出相應的浮柵，可用于可重編程ROM的存儲單元。

許多企業(yè)相繼投入到半導體存儲的研究，嘗試發(fā)明可重復讀寫的存儲器以提升PROM的靈活性；基于MOSFET發(fā)明，1971年，英特爾Dov Frohman率先發(fā)明了可擦除可編程的只讀存儲器EPROM（Erasable Programmable ROM），EPROM可通過強紫外線反復重置至未編程狀態(tài)；同年，英特爾又發(fā)布了2048位EPROM產(chǎn)品C1702，其采用p-MOS技術。1972年，日本電工實驗室的Yasuo Tarui、Yutaka Hayashi和Kiyoko Naga，共同發(fā)明了可電擦除可編程的只讀存儲器 EEPROM（Elecrically Erasable Programmable ROM）。

EEPROM仍存在擦除速度太慢的問題，此時出現(xiàn)了一個劃時代的人物，東芝公司的工程師舛岡富士雄；1980年，他發(fā)明了一種全新可快速擦除的浮柵存儲器Flash（閃存，simultaneously erasable（同步可擦除）EEPROM），但該發(fā)明并未得到東芝的重視。1984年，在IEEE國際電子元件會議上，舛岡富士雄正式公開發(fā)表了自己的發(fā)明NOR Flash，1987年，舛岡富士雄又發(fā)明了NAND Flash。

英特爾對舛岡富士雄發(fā)明的NOR Flash非常感興趣，1988年，英特爾基于NOR Flash，生產(chǎn)了第一款商用型NOR Flash閃存芯片，它如同鞋盒一樣大小，并被內(nèi)嵌于一個錄音機里，容量為256KB；這款芯片的發(fā)布徹底改變了原先由EPROM和EEPROM一統(tǒng)天下的局面，并使Intel成為世界上第一個生產(chǎn)閃存并將其投放市場的公司。1989年，東芝發(fā)布了世界上第一個NAND Flash閃存產(chǎn)品，該產(chǎn)品容量大，耐擦除且不易損壞。

HDD讀寫速度僅為幾十兆每秒，防震抗摔性弱，市場亟需讀取速度快，可靠性高的大容量閃存產(chǎn)品，由Eli Harari等人1988年創(chuàng)辦的SunDisk公司（現(xiàn)SanDisk，閃迪）逐漸開始打破這個局面。1989年，閃迪公司提交了系統(tǒng)閃存架構專利(“System Flash”)，結合嵌入式控制器、固件和閃存來模擬磁盤存儲；同年，英特爾開始發(fā)售512KB和1MB NOR Flash。1989年，一家以色列公司M-Systems成立了，該公司首次提出了閃存盤的概念，也就是大家熟知的固態(tài)硬盤（Solid State Drive，SSD）。

隨著筆記本、數(shù)碼相機等電子產(chǎn)品的需求擴大，這個階段的閃存產(chǎn)品可謂為雨后春筍般涌現(xiàn)。1991年，閃迪公司推出了世界上首個基于Flash閃存介質(zhì)的ATA SSD固態(tài)硬盤，容量為20MB，尺寸為2.5英寸。1993年，美國蘋果公司正式推出了Newton PDA產(chǎn)品，該產(chǎn)品采用了NOR Flash技術。1994年，閃迪公司又第一個推出了CF存儲卡（Compact Flash）；當時，這種存儲卡基于NOR Flash技術，用于數(shù)碼相機等產(chǎn)品。

手機、便攜式攝像機、MP3播放器等消費數(shù)碼產(chǎn)品需求的爆發(fā)，使得整個90年代末閃存市場規(guī)模呈現(xiàn)井噴式發(fā)展的態(tài)勢。1995年，M-Systems發(fā)布了基于NOR Flash的閃存驅(qū)動器——DiskOnChip。1996年，東芝（現(xiàn)鎧俠）推出了SmartMedia卡，也稱為固態(tài)軟盤卡。三星隨后開始發(fā)售NAND Flash，閃迪推出了采用MLC串行NOR Flash技術的第一張閃存卡。1997年，手機開始配置閃存，以及數(shù)碼相機的出現(xiàn)，促使消費級市場再升級；同年，基于NAND Flash技術，西門子與閃迪合作開發(fā)了著名的MMC（多媒體內(nèi)存，Multi Media Memory）卡。

1999年，東芝公司發(fā)現(xiàn)MMC卡可輕松盜版音樂的問題，因此對其進行了改裝，通過添加加密硬件的方式對其傳輸速度和安全性進行了升級，改裝后命名為SD卡，容量可為2MB、4MB和8MB；在手機用于通訊以及MP4流行的年代，SD（Secured Digital）卡成為移動數(shù)據(jù)存儲的主力軍。手機、筆記本電腦等消費產(chǎn)品的出現(xiàn)，延伸了人們對數(shù)據(jù)存儲便攜性的需求，2000年，U盤首次面市，M-Systems和Trek發(fā)布了世界上第一個商用USB閃存驅(qū)動器，也叫拇指驅(qū)動器。

NAND Flash共經(jīng)歷了三代變革。20世紀80年代初至90年代中期，第一代NAND Flash采用 SLC（Static Random Access Memory）技術，存儲密度低，存儲容量有限，功耗高，可靠性差。90年代中期至2000年左右，第二代NAND Flash采用 NAND技術，存儲密度大幅提高，存儲容量也得到了極大的擴展，同時采用了 MLC（Multi-level Cell）技術和 PCD（Programmable Configuration Device）技術，提高了 NAND Flash的可靠性和靈活性。

工藝制程進入16nm后，2D NAND的成本急劇上升，平面微縮工藝的難度和成本難以承受，3D NAND技術的出現(xiàn)解決了該問題。2012年，三星正式推出了第一代 3D NAND閃存芯片，隨后，閃迪、東芝、Intel、西部數(shù)據(jù)紛紛發(fā)布3D NAND產(chǎn)品，閃存行業(yè)正式進入3D時代。

2000年至今的NAND Flash采用NAND技術和3D NAND技術，存儲密度進一步提高，存儲容量也得到了大幅擴展，并且采用了更先進的 NAND技術，如 NAND Flash垂直堆疊技術、NAND閃存內(nèi)存接口技術等，使得 NAND閃存存儲器件的性能更加優(yōu)越，在降低能耗的同時，也節(jié)約了成本，每字節(jié)成本均低于2D NAND。

進入3D NAND時代后，閃存技術的發(fā)展可以稱的上為“芝麻開花節(jié)節(jié)高”。2022年5月，美光科技已經(jīng)宣布推出了232層的3D TLC NAND Flash。SK海力士于2022年8月也發(fā)布了238層3D NAND Flash芯片產(chǎn)品；2022年11月，三星已經(jīng)完成了第八代NAND技術產(chǎn)品的開發(fā)，將采用236層3D NAND閃存芯片，容量達1Tb，運行速度為2.4GB/s。2023年8月，SK海力士又發(fā)布了321層堆疊4D NAND Flash閃存樣品。

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新發(fā)明、新時代

新型存儲技術是在傳統(tǒng)的存儲技術基礎上不斷發(fā)展而來的；在傳統(tǒng)存儲技術面臨一些挑戰(zhàn)時，如存儲設備體積不斷增大、容量增長而性能提升緩慢等，人們開始探索新的存儲方法。目前，新型存儲技術主要有4種：相變存儲器（PCM）、鐵電存儲器（FeRAM/FRAM）、磁性存儲器（MRAM，第二代為STT-RAM）、和阻變存儲器（ReRAM/RRAM）。

5.1?/ PCM

相變存儲器（phase-change random access memo，PCM或PCRAM）是一種新興的非易失性存儲器技術，其原理是通過改變溫度，讓相變材料在結晶態(tài)（導電）與非結晶態(tài)（非導電）狀態(tài)間相互轉(zhuǎn)換，并利用兩個狀態(tài)的導電性差異來區(qū)分“ 0”態(tài)和“ 1”態(tài)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。

圖19 PCM工作原理（圖源：永鑫方舟資本）

PCM具有外存NAND Flash的非易失性，以及主存DRAM高讀寫速度和長壽命的特點，同時兼具低延時、密度高、功耗低、可兼容CMOS工藝等優(yōu)點，具有將外存和主存合二為一的可能性，未來有希望應用于高性能數(shù)據(jù)中心、服務器、物聯(lián)網(wǎng)等場景。此外，目前PCM還未發(fā)現(xiàn)有明確的物理極限，研究表明即使相變材料降至2nm厚度，存儲器件依舊可以發(fā)生相變。因此，PCM可能解決存儲器工藝的物理極限問題，成為未來通用的新一代半導體存儲器件之一。

PCM的發(fā)展歷程可以追溯到20世紀60年代，當時Stanford Ovshinsky開始研究無定形物質(zhì)的性質(zhì)，1968年，他發(fā)現(xiàn)某些玻璃在變相時會存在可逆的電阻系數(shù)變化。這個發(fā)現(xiàn)啟發(fā)了他在1970年與他的妻子Iris Ovshinsky共同建立了一個能量轉(zhuǎn)換裝置（ECD）公司，該公司專注于研究和發(fā)展PCM技術。

在ECD公司與Intel的Gordon Moore合作后，他們在1970年9月28日的Electronics雜志上發(fā)表了一篇名為“世界第一個256位半導體相變存儲器”的文章；這個里程碑式的發(fā)現(xiàn)標志著PCM技術的誕生。但由于過去半導體工藝的限制，相變單元所需驅(qū)動電流過大，導致早期的PCM未贏得過多青睞。而后，得益于半導體加工工藝的進步，使具有較小的驅(qū)動電流器件成為可能，迎來了PCM的發(fā)展契機。

進入21世紀，隨著半導體工業(yè)界的制備技術和工藝達到深亞微米甚至納米尺度，PCM技術開始進入快速發(fā)展階段。在2000年，Intel和Ovonyx發(fā)表了一份合作與許可協(xié)議，這是現(xiàn)代PCM研究與發(fā)展的開端。從那時起，多家公司開始致力于PCM技術的研發(fā)和商業(yè)化，例如Intel、美光科技等。

PCM作為新型存儲產(chǎn)業(yè)化的先行者，國內(nèi)外廠商爭相布局。2006年，Intel和三星生產(chǎn)了第一款商用PCM芯片。2015年，Intel和美光科技合作開發(fā)名為3D XPoint的PCM存儲技術。2019年8月，時代全芯發(fā)布國內(nèi)首款PCM產(chǎn)品——2兆位可編程只讀PCM，成為繼美光科技、三星后少數(shù)掌握PCM研發(fā)、生產(chǎn)工藝和自主知識產(chǎn)權的公司。

然而，2018年Intel和美光科技結束了3D XPoint的聯(lián)合開發(fā)工作，此后美光科技于2021年宣布停止基于3D XPoint技術產(chǎn)品的進一步開發(fā)。至此，PCM的產(chǎn)業(yè)化陷入困境。

PCM現(xiàn)階段具有較多應用瓶頸，致使商業(yè)化停滯。首先，由于PCM存儲過程依賴溫度調(diào)節(jié)，具有對溫度的高敏感度，導致其無法應用于寬溫場景。其次，PCM存儲器采取多層結構，以具備兼容CMOS工藝的特點，致使存儲密度過低，無法滿足替代 NAND Flash的容量條件。此外，成本和良率也成為其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的瓶頸之一。

5.2?/ FeRAM

1952年，鐵電隨機存取存儲器（Ferroelectric Random Access Memory，F(xiàn)eRAM）首次在麻省理工大學Dudley Allen Buck的碩士論文中被提及，論文中提到FeRAM有比閃存更低的耗電量、更高的寫入速度、更長的讀寫壽命等優(yōu)勢。由于存算一體的特性和諸多優(yōu)勢，F(xiàn)eRAM成為新型存儲的主流產(chǎn)品之一。1993年，Ramtron公司推出了4KB FeRAM產(chǎn)品，為全球首款可量產(chǎn)的FeRAM產(chǎn)品，此后，F(xiàn)eRAM的更多研發(fā)和應用開啟新篇章。

圖20 FeRAM工作原理（圖源：永鑫方舟資本）

FeRAM小部分產(chǎn)品實現(xiàn)量產(chǎn)，潛力可見度提高。根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2022-2027年中國FRAM行業(yè)市場深度調(diào)研及發(fā)展前景預測報告》，F(xiàn)RAM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?。?a href="http://ttokpm.com/soft/data/39-96/" target="_blank">消費電子領域，可用于智能手表、智能卡以及物聯(lián)網(wǎng)設備制造；在汽車領域，可用于高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）制造；在工業(yè)機器人領域，可用于控制系統(tǒng)制造等。

國內(nèi)外多家廠商正在積極研發(fā)FeRAM存儲器，臺積電正在探索鐵電薄膜和堆疊及其可控性、狀態(tài)保持性、持久性和可擴展性，以實現(xiàn)與先進CMOS技術集成的高密度、高容量數(shù)字存儲器；國內(nèi)拍字節(jié)、匯峰等企業(yè)也正在積極研究并助推以HfO2為鍍膜的FeRAM的產(chǎn)業(yè)化落地，拍字節(jié)目前還在實驗室研發(fā)階段有望量產(chǎn)，匯峰目前已經(jīng)有130nm制程FeRAM產(chǎn)品可實現(xiàn)小批量量產(chǎn)。并且，已有部分FeRAM存儲器成功應用在汽車領域，代表公司Ramtron和Symetrix、英飛凌、日本富士通半導體。

FeRAM技術瓶頸尚在，仍需繼續(xù)研究突破。當前，F(xiàn)eRAM的工作模式主要包括DRO（破壞性讀出）和NDRO（非破壞性讀出）兩種。在DRO模式中，F(xiàn)eRAM讀出后需重新寫入數(shù)據(jù)，信息讀取過程中存在著大量的擦除/重寫操作，由于不斷地極化反轉(zhuǎn)，F(xiàn)eRAM容易發(fā)生疲勞失效的問題。NDRO模式無需使柵極的極化狀態(tài)反轉(zhuǎn)，讀出方式是非破壞性的，是一種比較理想的存儲方式，但目前這種FeRAM尚處于實驗室研究階段，還未達到實用層面。

5.3?/ MRAM

磁性隨機訪問存儲器（Magnetic Random Access Memory，MRAM）是一種非易失性隨機存儲器，它擁有SRAM的高速讀取寫入能力，以及DRAM的高集成度，而且基本上可以無限次的重復寫入。MRAM靠磁場極化而非電荷來存儲數(shù)據(jù)，其存儲單元由自由磁層、隧道柵層、固定磁層組成。

圖21 MRAM工作原理（圖源：永鑫方舟資本）

MRAM于1984年發(fā)明，后經(jīng)不斷改進。1984年，供職于霍尼韋爾的Arthur Pohm與James Daughton發(fā)明了首個磁存儲器；由于對環(huán)境條件敏感等問題，對MRAM的改進從未停止。1996年，Berger和Slonczewski不約而同的提出了STT-MRAM（自旋扭矩轉(zhuǎn)遞）方案；2000年，Spintec實驗室獲得首個STT-MRAM專利。

STT-MRAM為當前主流商業(yè)化方案。自2000年Spintec實驗室獲得首個STT技術專利開始，STT-MRAM憑借更快的讀寫速度與更小的尺度逐漸成為主流商業(yè)化方案。2005年11月，瑞薩科技與Grandis合作開發(fā)65nm工藝的STT-MRAM；2005年12月，索尼推出首款實驗室STT-MRAM產(chǎn)品。2008年11月，三星與SK海力士宣布合作開發(fā)STT-MRAM；2012年11月，Everspin首次推出容量為64MB的獨立式STT-MRAM產(chǎn)品；2019年3月，三星28nm工藝的嵌入式STT-MRAM產(chǎn)品開始量產(chǎn)。

2019年1月，Everspin公司推出基于28nm工藝容量為1GB的STT-MRAM產(chǎn)品，為目前最成熟、容量最大的獨立式MRAM量產(chǎn)產(chǎn)品。嵌入式MRAM（eMRAM）主要替代SRAM應用于嵌入式系統(tǒng)中，可避免因電源故障等導致的內(nèi)存丟失問題。嵌入式MRAM目前受到各大廠商關注，2020年12月，IBM展出世界首個14nm STT-MRAM產(chǎn)品。2022年6月，瑞薩宣布已開發(fā)出 22nm嵌入式 STT-MRAM 電路技術。2022年10月，三星研究人員稱成功開發(fā)14nm eMRAM。MRAM增長點為替代閃存與嵌入式緩存。

由于價格較高，容量短時間無法趕超NAND Flash等原因，獨立式MRAM目前主要應用于工業(yè)、航空、航天、軍工等對可靠性和讀寫速度要求較高、容量無需太大的領域。隨著容量進一步提升，獨立式MRAM產(chǎn)品已逐漸進入數(shù)據(jù)中心等更大規(guī)模的市場，未來隨著價格下降和容量擴大有望替代NAND Flash等成為主力外部存儲產(chǎn)品。目前嵌入式MRAM已成功進入MCU嵌入式系統(tǒng)，并逐步替代慢速SRAM成為工作緩存新方案，應用于相機CMOS等。未來嵌入式MRAM提速降價后有望替代SRAM或eDRAM等高速緩存，進入手機SoC和CPU等產(chǎn)品。

5.4?/ ReRAM

可變電阻式存儲器（Resistive Random Access Memory，RRAM或ReRAM）是一種新型的非易失性存儲器，這個概念在1971年左右初步形成，2008年，惠普提出了一種被稱為憶阻器的ReRAM，并將其用于面向未來的系統(tǒng)“The Machine”中，在惠普放棄憶阻器的研究后，一些研究機構和企業(yè)仍在繼續(xù)探索ReRAM技術。

目前ReRAM仍處于研究和開發(fā)階段，ReRAM以基本單位電阻變化存儲數(shù)據(jù)，氧化層釋放氧離子后產(chǎn)生的氧空位與金屬層中氧離子的運動共同決定了基本單位的電阻，高低電阻分別對應“0”和“1”。ReRAM結構簡單，兩側電極將金屬氧化物包夾于中間，從而簡化了制造工藝，同時可實現(xiàn)低功耗和高速重寫等卓越性能；其具備小于100ns的高速度、耐久性強和多位存儲能力的特點。

圖22 ReRAM工作原理（圖源：永鑫方舟資本）

由于ReRAM存儲介質(zhì)中的導電通道具有隨機性，在二進制存儲中難以保證大規(guī)模陣列的均一性，故而能很好滿足神經(jīng)形態(tài)計算和邊緣計算等應用對能耗、性能、存儲密度的要求，預期將在AIoT、智能汽車、數(shù)據(jù)中心、AI計算等領域獲得廣泛應用，被認為是實現(xiàn)存算一體的最佳選擇之一。在新興的存儲技術中，ReRAM技術更適合在存儲單元中采用多級存儲，有利于降低存儲器計算的能耗、提高成本效益。

結語 ? ? ? ?

數(shù)據(jù)存儲技術的發(fā)展，就像一本厚重的史書，每一頁都記載有精心雕琢的故事，描繪著那些年我們?nèi)绾螐淖畛醯氖?，演變?yōu)槿缃竦脑拼鎯Α６?，?shù)據(jù)存儲已經(jīng)從最初的打孔卡、硬盤，閃存發(fā)展至如今的云存儲；這個過程就像一部史詩般的電影，展現(xiàn)了人類對于技術的無盡追求和創(chuàng)新的寶貴精神。未來，數(shù)據(jù)存儲技術還將繼續(xù)發(fā)展，如同宇宙的探索一樣，未知而充滿無限可能。

編輯：黃飛