2021年的數(shù)字存儲預測第二部分：磁記錄的預測

這是2021年數(shù)字存儲和存儲器行業(yè)的最新狀態(tài)和預測的第二部分。第一部分涉及磁記錄的預測（HDD和磁帶）。第二部分將重點介紹固態(tài)存儲和內存的當前狀態(tài)和預測。我們還將討論固態(tài)設備互連和網(wǎng)絡的發(fā)展，特別是NVMe和光纖上NVMe（NVMe-oF）以及CXL和Gen Z，它們將在2021年及以后的年份影響計算機和嵌入式設備架構。我們還提供了有關2020 IEEE IEDM會議的見解。

NAND閃存正在成為數(shù)據(jù)中心和企業(yè)中的主要存儲，并且是智能手機等消費類產(chǎn)品中選擇的存儲介質。從全閃存陣列（AFA）到混合閃存系統(tǒng)，2021年的活動數(shù)據(jù)將存儲在SSD上，而二級或較冷的存儲將存儲在HDD或磁帶上。

SSD公司還對帶有144層或更高層級NAND閃存（美光宣布2020年在Crucial消費類SSD產(chǎn)品中發(fā)布176層NAND閃存）和可存儲4個存儲單元的四級單元（QLC）閃存施加二級存儲HDD的壓力。每個閃存單元1位。下面是TechInsights在2020年閃存峰會上由Joengdong Choe提出的閃存路線圖，其中顯示了NAND閃存的歷史和計劃進展。

2020 FMS的TechInsights NAND閃存路線圖

最近的閃存年度內存密度進步達到30％以上的累積年增長率（CAGR），而HDD不足10％。據(jù)推測，能量輔助磁記錄將在未來幾年內提高HDD的面密度，為二級存儲中的HDD提供防御，但時間可以證明。

1TB內存容量的手機現(xiàn)在可以從許多公司購買，包括三星，蘋果和谷歌（以及其他幾家公司）。下圖顯示了具有最高1TB內存的Samsung S10 +的圖像。在當前NAND閃存供過于求的情況下，較低的NAND閃存價格將鼓勵廠商在較低價格的移動設備中提供更多的存儲容量。到2021年大部分時間，NAND閃存的供過于求（并因此價格降低）可能會持續(xù)下去。

更高性能的無線網(wǎng)絡可實現(xiàn)更豐富的內容流或下載。更高的存儲容量，再加上更高分辨率的手機屏幕和攝像頭，也將導致更高的存儲容量消耗，并需要高性能的存儲接口。eMMC接口的數(shù)據(jù)速率受到限制，具有GBps級吞吐量的UFS接口將在2021年及未來的移動設備中扮演更大的角色。

除了移動設備中的更多閃存之外，NOR閃存縮放的局限性以及這些設備中AI應用程序的日益使用可能會推動這些設備中使用的固態(tài)存儲器/存儲的更多變化。如下所述，MRAM和RRAM開始出現(xiàn)在嵌入式設備中，取代了NOR閃存和SRAM，尤其是啟用了更密集的存儲器AI推理引擎。這些都是非易失性存儲技術，它們在手機中的未來使用可以幫助降低功耗并在給定尺寸的裸片中改善AI性能，這都是緊湊型電池供電的移動設備中的重要元素。

現(xiàn)在，NVMe接口已成為新存儲系統(tǒng)產(chǎn)品中占主導地位的SSD接口，取代了SATA和SAS。NVME的這種使用將在2021年增長。此外，特別是使用光纖通道和以太網(wǎng)網(wǎng)絡的光纖網(wǎng)絡上的NVMe（NVMe-oF）正在支持包括計算存儲在內的下一代存儲系統(tǒng)（有關此內容以及CXL和GenZ在2021年數(shù)字存儲項目第3部分中介紹）。

下圖是當前NVMe路線圖，顯示了2020年和2021年NVMe 2.0的發(fā)布，包括NVMe傳輸規(guī)范。甚至業(yè)界都在談論將具有本機以太網(wǎng)接口的HDD引入本機集成NVMe存儲系統(tǒng)。

NVMe規(guī)范路線圖

英特爾最近宣布了其第二代和第三代Optane（3D XPoint）內存。第二代（4層）基于DIMM（PMem）的Optane產(chǎn)品于2019年推出，該公司于2020年12月推出了Optane NVMe SSD。代號為Crow Pass的第三代Optane內存將與未來的至強可擴展處理器一起提供。（代號為Sapphire Rapids）到云和企業(yè)客戶。

英特爾基于DIMM的永久性存儲器的發(fā)展路線圖表明，它與幾代至強可擴展處理器緊密相連。除了在2020年和2021年推出200系列PMem產(chǎn)品外，下表還顯示了至少兩代Optane PMem，以支持未來的Xeon處理器。

英特爾傲騰PMem路線圖

英特爾的Optane產(chǎn)品已被多家OEM和云提供商采用，因為它們的DRAM存儲器價格便宜，而NVMe SSD速度更快。美光于2019年發(fā)布了自己的NVMe 3D XPoint SSD，最近我聽說他們已經(jīng)獲得了客戶的資格認證。Optane SSD和DIMM存儲系統(tǒng)的使用量將于2021年增加。

通常在舊金山舉行的2020 IEEE國際電子設備會議（IEDM）上有有趣的內存公告，但實際上是在2020年虛擬會議上舉行。CMU和ETH Zurich的Onur Mutlu在以內存為中心的計算系統(tǒng)上作了一次全體會議，指出計算系統(tǒng)總內存中約有63％用于移動數(shù)據(jù)（基于2018年Google在消費者設備上的演示）。他談到了處理數(shù)據(jù)所保留的價值以及通過使用低成本數(shù)據(jù)存儲和處理以及智能數(shù)據(jù)管理來提供低延遲和低能耗的數(shù)據(jù)訪問的價值。

新興的高性能非易失性存儲技術，例如磁隨機存取存儲器（MRAM），電阻性RAM（RRAM），相變存儲器（PCM）和鐵電RAM（FRAM），與新的存儲器和計算架構相結合，將能夠實現(xiàn)更強大的計算和存儲系統(tǒng)。

美光公司的Naga Chandrasekaran在全體會議上談到了DRAM的擴展工藝挑戰(zhàn)以及傳統(tǒng)存儲器的潛在替代方案。下圖來自他的演講，顯示了對各種常規(guī)和新興內存技術的比較。

新興內存格局

英特爾談到了一種使用堆疊式反鐵電HZO電容器的3D嵌入式DRAM，具有長達1小時的保留時間和10的12次方個耐久周期。英特爾還展示了以垂直方式堆疊四個AFE容量，表明密度增加是可能的。意法半導體（ST Microelectronics）與CEA-Leti共同發(fā)表了一篇針對汽車SoC的28nm FDSOI（單元尺寸= 0.019μm 2）嵌入式相變存儲器（PCM）技術的論文，該技術滿足了嚴格的AEC-Q100 0級汽車可靠性標準。

CEA-Leti發(fā)表了兩篇論文，介紹了將3D架構與電阻式隨機存取存儲器（RRAM）結合用于內存計算的優(yōu)勢及其在邊緣AI和神經(jīng)網(wǎng)絡中的應用。論文探討了各種不同的方式來利用3D的優(yōu)勢來降低設備能耗以及數(shù)據(jù)傳輸過程中的能量損失。

IBM透露了用于嵌入式MRAM的14nm節(jié)點STT-MRAM，用于最后一級的CPU緩存，以解決混合云系統(tǒng)中的內存計算瓶頸。IBM還展示了具有3ns開關和開關電流緊密分布的先進磁性材料。IBM表示，這些交換速度特性是將MRAM用作最后一級緩存的又一關鍵步驟。關于MRAM及其在各種嵌入式應用中的使用，還進行了其他一些演示。

2020年，有幾項關于在各種SoC的嵌入式存儲器中使用STT MRAM和RRAM的公告。臺積電由Ambiq和Numen生產(chǎn)的產(chǎn)品正在將MRAM用于AI應用，包括消費設備推理引擎和用于太空分布式計算的NASA深度神經(jīng)網(wǎng)絡（DNN）設備。下方顯示了由臺積電代工廠制造的Ambiq芯片以及2MB的MRAM。臺積電還表示，RRAM具有嵌入式設備和產(chǎn)品的資格，應在2021年之前宣布。

支持Ambiq MRAM的嵌入式設備

包括MRAM和3D XPoint內存在內的新內存技術將在2021年及以后的年份中得到越來越多的使用。以下來自Coughlin Associates和Objective Analysis的最新報告的幻燈片顯示，預計到2030年NAND閃存，DRAM，3D XPoint和MRAM的年出貨量將增長。在獨立和嵌入式應用的推動下，到2030年，新興存儲器的總收入將可能超過$ 36B。

預計的年度內存出貨量

隨著存儲數(shù)據(jù)總量的增加，對所有類型的存儲技術的總體需求持續(xù)增長。這種存儲容量需求將推動對所有類型的存儲技術的需求。下圖顯示了我們的歷史趨勢以及磁帶，HDD和SSD的已存儲存儲容量增長的預測。請注意，磁帶現(xiàn)在包括IBM企業(yè)以及LTO容量。

磁帶，SSD和HDD年度出貨量的歷史和預測

在NAND閃存的廣泛使用的推動下，固態(tài)存儲現(xiàn)在已成為許多應用程序中的主要存儲。NVMe現(xiàn)在是主要的SSD接口，支持新的網(wǎng)絡和存儲架構。MRAM和3D XPoint存儲器出現(xiàn)在許多存儲/存儲器產(chǎn)品中，并且NOR，SRAM和DRAM擴展的放緩也為RRAM和FRAM存儲器打開了機遇。

參考鏈接//www.forbes.com/sites/tomcoughlin/2021/12/29/digital-storage-projections-for-2021-part-2/?sh=42e2f9096cfd

責任編輯：xj

原文標題：2021年的數(shù)字存儲預測(第二部分)

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