几年前，IDC预测，到2025年，普通人每天将与联网设备互动4800次。来自这些传感器的信息涌入将促进机器学习、语言处理和人工智能，这些都需要快速存储和更大的计算能力。下一代存储技术将解决当前存储层次结构中的缺陷，并将数据传送到需要实时处理的地方。
新兴的内存技术确保大量数据可以保存在离处理器更近的地方，而没有SRAM和DRAM的高成本或高功耗。其中大多数是非易失性的，就像SSD内部的NAND闪存一样，比NVMe附带的固态硬盘快得多。
在本文中，我们将研究六种新的存储技术，它们可以解决即将到来的大数据瓶颈。主要介绍Intel的Optane，磁阻RAM(MRAM)和阻变存储器(ReRAM)两种，纳米管RAM，铁电RAM和相变存储器。
首先，让我们看看新内存技术的主要优势：
英特尔持久内存：针对数据中心工作负载进行调整的非易失性高容量内存。它可以通过内存操作或块存储来访问。
MRAM:非易失性存储器，可以完全断电，然后快速唤醒，以便在物联网应用中快速写入。
ReRAM:它承诺在数据中心的DRAM和flash之间建立一座桥梁。将整个数据库存储在快速且非易失性的ReRAM中将完全改变内存计算。
纳米管RAM:非易失性存储器，具有DRAM级别的性能和难以置信的数据保持能力。兼容DDR协议意味着我们可以看到配备NRAM的DIMM可以插入内存插槽。
相变存储器：类似于今天的NAND闪存，相变存储器是非易失性的。它具有更好的写入性能、出色的耐用性和更低的功耗的潜力。
铁电RAM:虽然它的密度非常低，但在数据持久性、低功耗和几乎无限的写持久性的应用中，它是SRAM的可行替代品。
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或专用加速器耗尽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获取字节并逐渐停止。更大的SRAM高速缓存有助于保存热门数据，丰富的DRAM为内存计算创造了奇迹。然而，这两种类型的存储都很昂贵。它们在本质上也是不稳定的，我们需要探索更好的方法来保存数据。而增加这两种存储方式来解决等待实时分析的海量数据，并不经济。
英特尔高级副总裁兼非易失性内存解决方案部门总经理RobCrooke总结了基本挑战：“DRAM不足以解决当今的实时数据分析问题，传统存储速度也不够快。”
上图：新兴的存储技术有助于缩小flash和DRAM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。
据报道，该公司的Optane技术适用于缩小系统内存和基于闪存的固态硬盘之间日益增长的差距，这可能会增强分析、人工智能和内容交付网络。DRAM非常适合内存处理，但是容量有限。当固态硬盘扩展到大规模部署时，每千兆固态硬盘的成本要低得多。他们只是没有实时事务操作的性能。Optane旨在“连接这两个世界”。
Optane采用了一种独特的架构，由堆叠在密集三维矩阵中的可单独寻址的存储单元组成。英特尔没有透露其基于Optane的设备所用技术的具体信息。然而，我们确实知道Optane可以像DRAM或SSD一样工作，这取决于它的配置。
英特尔的OptaneDC永久内存被放入连接到CPU内存控制器的标准DIMM插槽中。可提供最大512GB的容量，可容纳的数据量是最大DDR4模块的数倍。断电时，运行在AppDirect模式下的OptaneDC永久内存DIMM的信息将被保留。相反，DRAM等易失性存储技术，如果不经常刷新，会很快丢失数据。该软件确实需要针对英特尔技术进行优化。但是，正确的调整可以使性能有限的应用程序访问OptaneDC永久内存时具有低延迟的内存操作。
此外，DIMM还可以用于内存模式，与易失性内存共存，扩展容量。您可以在“内存模式”下部署OptaneDC永久内存，而无需重写软件。
这项技术也可以用于英特尔所谓的“StorageOverAppDirectMode 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。想要使用块存储的应用可以直接访问OptaneDC持久存储模块的应用区，不需要任何特殊的优化。与在I/O总线上移动数据相比，这具有提高性能的优点。
无论应用程序如何使用OptaneDC持久存储，这项技术的优势都是一样的：容量、性能和耐用性。将云和基础设施视为服务的内存密集型数据中心应用是直接受益者。内存数据库、存储缓存层、网络功能虚拟化也是如此。
MRAM显示出优势
Optane的主要目标是数据中心，磁阻存储器(MRAM)在许多IOT设备中有着光明的前景。
让我们来看看应用材料公司存储器集团董事总经理MahendraPakala博士的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运作良好的例子。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，功耗已经成为最受关注的问题之一。不过，Pakala博士表示，现在的边缘设备主要使用SRAM存储器，每个单元最多可以使用6个晶体管，可能会受到highactiveleakagepower的影响，从而影响效率。作为替代，MRAM可以将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，更紧凑的芯片和更低的功耗听起来像是所有处理器在边缘的胜利。
MRAM的数据是通过一个磁性元件存储的，这个磁性元件由一对铁磁板组成，它们被一个薄的电介质隧道绝缘体隔开。一个极板的极性是永久的，而另一个极板的磁化改变以存储0和1。这些板一起形成磁隧道结(MTJ ),构成了存储设备的组件。
像Optane一样，MRAM是非挥发性的。MRAM技术的领导者之一EverspinTechnologies表示，存储在其ToggleMRAM中的数据可以在室温下保存20年。MRAM也很快。Everspin声称同时读写的延迟在35ns的范围内。这接近SRAM的“自夸”性能，使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的一个明显的差距在于它的容量。例如，Everspin最近发布了一款32Mb的设备。但相比之下，每单元4位的最大NAND组件提供了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，因为它的性能、耐用性和无限续航力足以弥补其产能的不足。
STT-MRAM是磁阻技术的一种变体，其工作原理是利用极化电流操纵电子自旋。其机制比开关MRAMs需要更少的转换能量，从而降低功耗。STT-MRAM也有更好的可扩展性。Everspin的独立MRAM具有256Mb和1Gb的密度。像群联这样的公司可以将其中一个放在闪存控制器旁边，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固态硬盘。正在进行的数据传输将始终是安全的，即使在意外停机的情况下。
英特尔、TSMC和UMC等代工厂对STT-MRAM感兴趣的另一个原因是，他们希望将其嵌入微控制器。目前在这些设计中使用的NOR闪存难以扩展到更小的制造节点，并且MRAM的集成更经济。事实上，英特尔已经发表了一篇论文，展示了其可以将22nmFinFET低功耗工艺与7.2MbMRAM阵列集成的量产方案。该公司表示，MRAM作为嵌入式非易失性存储器，是对片上启动数据有要求的物联网、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。
在宣布成功整合MRAM和22FFL制造的几个月后，英特尔也在国际固态电路大会上发表了演讲，介绍了一种嵌入在同一工艺节点中的3.6Mb电阻式随机存取存储器(ReRAM)宏。
ReRAM是另一种非易失性存储器，主张低功耗，高密度，性能介于DRAM和闪存之间。然而，MRAM的特性预测了IOT设备的寿命，但ReRAM正在为数据中心的事业做准备，以缩小服务器内存和SSD的差距。
上图：Crossbar的ReRAM技术：在两个电极之间的电介质中形成一层纳米薄膜，通过不同的电压电平进行复位，形成一条低阻和高阻路径。
几家公司正在使用多种材料开发ReRAM。例如，Crossbar的ReRAM技术使用夹在顶部和底部电极之间的硅基开关材料。当在电极之间施加电压时，在电介质中形成纳米丝，形成低电阻通路。灯丝可以通过另一个电压复位。英特尔在氧交换层下使用高k氧化钽电介质，在电极之间形成空隙。这两个单元在组成上不同，但是执行相同的功能，并且与NAND闪存相比具有更快的读写性能。
应用材料公司的帕卡拉博士表示，ReRAM似乎是内存计算中最可行的存储技术，数据存储在RAM中，而不是磁盘上的数据库。“你可以利用欧姆定律和基尔霍夫定律在阵列中完成矩阵乘法，而不需要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，这就是为什么ReRAM的成本优势如此令人鼓舞。
上图：CrossBar的ReRAM可以嵌入SoC，实现快速非易失的片上存储。
瞄准DRAM的纳米管RAM
纳米管RAM是一种非易失性存储器，具有DRAM级别的性能和令人难以置信的数据保持能力。兼容DDR协议意味着我们可以看到配备NRAM的DIMM可以插入内存插槽。Nantero开发的NRAM由碳纳米管(CNT)存储单元组成，可以提供出色的性能、数据持久性(如SSD中的NAND闪存)、待机模式下的零功耗和出色的保存能力，并且价格极具竞争力。
上图：CNT存储单元的置位和复位状态由高阻和低阻定义，分别对应1和0。
每个碳纳米管单元由沉积在两个电极之间的数百个碳纳米管组成。施加在电极之间的开关电压迫使电子管接通或断开，导致电阻变化，相当于1和0。分子力足以有效维持这些状态，使得Nantero即使在300c下也能保留数据300年以上。
像DRAM一样快的持久存储技术(也称为内存存储)不乏商业案例。但在今年的存储开发者大会上，Nantero的首席系统架构师BillGervasi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实现的。我们需要做的就是取这些路口，在前面放一个DDR4或者DDR5PHY。我们正在做的是将DDR协议转换成我们的内部结构。”
上图：如果内存存储可以运行配备NRAM的DIMM的所有工作负载，这项技术的兴起可能是革命性的。
Gervasi，他也是JEDEC非易失性存储器委员会的主席，然后描述了一种用兼容DDR要求的技术取代DRAM的技术，如NRAM。这些新模块将很快为完全无存储系统铺平道路。
任何想要在主内存中安装应用程序的人都应该对类似内存的存储的影响感到非常兴奋，特别是因为拟议的NVRAM标准增强了DDR5协议，并支持每个设备128Tb(或16TB)。尤其是对于内存计算，每个DIMM的内存插槽中都会有大量的NRAM。
相变存储器：Optane可以证明这是可行的。
之前我们介绍过英特尔的OptaneDC持久内存。但是我们还没有确定Optane的底层技术，它受到英特尔的严密保护。话虽如此，但近两年的行业分析表明，Optane是相变存储器(PCM)的一种。由于Optane已经在创造收入，到2029年，其他PCM很可能进入价值高达200亿美元的新兴存储器市场。
图：通过改变温度，可以使硫系玻璃处于非晶态或晶态，从而影响其电阻。
相变技术利用了硫属玻璃的新特性。短暂施加高温冷却玻璃，使其进入非晶态，具有高电阻。我们把它加热到更低的温度，时间长了，合金又会回到低电阻的晶态。
与闪存相比，PCM提供了更好的写入性能。该技术还应该提供更高的耐用性、更低的功耗和更快的访问时间，所有这些都是满足数据密集型计算引擎的需要所必需的。
MKWVentures的MarkWebb在2019年Flash峰会的一次演讲中预测，2020年将出现由英特尔以外的公司提出的基于pcm的芯片。IBM、美光、三星、意法半导体、WesternDigital也都是这个领域的参与者。英特尔可以优化其处理器和架构，并最大限度地受益于Optane的功能，因此在任何即将到来的战斗中都享有巨大的优势。然而，在简化PCM技术方面仍有大量工作要做，这可能会加剧竞争。
IBM的AbuSebastian和他的研究小组正在探索只使用一种化学元素锑来制造更小、密度更高、效率更高的PCM。尽管他们仍然试图使这种材料在室温下不会迅速结晶，但研究人员认为他们可以增加其保留时间。如果成功，将变得更容易确保材料的一致性，这可能会提高耐用性。
FRAM占据了一个重要的位置。
上面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，使大量的持久数据更接近计算资源，但铁电RAM(FRAM)只有在密度高达8MB时才可用。换句话说，你不会很快在服务器CPU两边看到它。
然而，在持久性(实质上是无限写持久性)和极低功耗优先于成本或容量的应用中，FRAM确实发挥了作用。CypressSemiconductor和富士通是FRAM在大容量应用领域的合作伙伴。他们认为，智能仪表、汽车信息娱乐、可穿戴电子设备和车辆数据记录仪是这项技术的主导应用领域。
上图：锆钛铅(PZT)分子中的正电荷离子可能处于两种低能态之一。这形成了铁电存储器用来存储数据的铁电特性。
像DRAM一样，FRAM是基于一个晶体管和一个电容器的存储单元设计。然而，FRAM独特地使用具有铁电特性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，它有两个相等的低能态，可以通过在一个方向或另一个方向施加电场来设置。当电源中断，电压下降时，这些状态保持不变。
然而，FRAM单元很大，因为存储单元电容器需要为读出放大器保持足够的电荷来检测1和0。几家公司正在探索传统FRAM的替代品，以获得更好的扩张前景。例如，FMC正在用氧化铪(标准高k金属栅极晶体管中的栅极绝缘体)对其进行改性，以赋予该材料铁电特性。
上图：根据FMC的说法，任何逻辑晶体管都可以通过赋予其氧化铪绝缘体的铁电特性而转变为存储器。
业界仍在努力改进这种所谓的FeFET，但其扩大铁电存储技术应用范围的潜力正引起人们的关注。如果任何类型的逻辑晶体管都可以成为存储单元，FeFET最终可能比嵌入式闪存或竞争的非易失性存储器技术具有更高的性能、更低的功耗，并且更容易制造。维持FeFET在物联网应用、消费电子产品、汽车存储等领域的关注。这种技术固有的防篡改性非常适合用于增强卡芯片上的数据安全性，而辐射硬度可以经受医疗和航天环境的严峻考验。
我们需要新的存储技术。
随着需求的增加，DRAM和flash似乎跟不上产生大量数据的需求。每个公司似乎都有存储层次的可视化表示，这两种技术之间存在一些差距。这个问题只会越来越严重。
上图：DRAM和NAND闪存之间可能有很多非易失性存储技术。
分析师MarkWebb认为，未来五年DRAM将继续扩张。然而，它的速度正在放缓，而且DRAM的易失性为数据丢失打开了大门。至少NAND内存是持久的。然而，随着闪存规模的扩大，其耐用性和性能将受到影响。所以，没有一种技术是真正理想的。
对此，业界正在努力寻找一种通用存储器，它可以提供DRAM级别的性能、数据持久性、无限持久性以及比NAND更低的每比特成本。敬请关注。我们迫切需要一种新的存储方法。
而且我们也必须承认，我们上面讨论的新兴记忆没有一个满足所有这些条件，但是两者的结合会保持大数据的流动。然而，随着数据处理需求的增加，我们必须密切关注存储内存和内存存储等术语。在这些保护伞下，新兴存储器将被分类，DRAM和NAND闪存将被增强。
EnergiasMarketResearch预测，从现在到2025年，MRAM市场将快速增长，年复合增长率将高达49.6%，说明市场容量将达到12亿美元。CoughlinAssociates预测，到2028年，3DXPointmemory——Optane的核心技术——将使英特尔的收入增加到160亿美元。我们确实需要新的内存来解决闪存、DRAM和SRAM的局限性。
各大新兴技术要努力，因为未来可能不会只有一个赢家。
标签：技术内存数据