几年前，IDC预测，到2025年，平均每人每天将与联网设备进行4800次交互。这些传感器注入的信息将促进机器学习、语言处理和人工智能，这些都需要快速存储和更多的计算能力。下一代内存技术将解决当今的差距并在需要实时处理的地方提供数据。
新兴的内存技术有望将大量数据保存在处理器附近，而不会导致SRAM和DRAM的高成本或高功耗。其中大多数是非易失性的，如SSD中的NAND闪存，比连接到NVMe的固态驱动器快得多。
在这个由两部分组成的系列的第一部分中，我们将研究三种技术来解决即将到来的大数据瓶颈：英特尔Optane、两种类型的磁阻RAM(MRAM)和电阻式随机存取存储器(ReRAM)。第二部分将介绍纳米管随机存储器、铁电随机存储器和相变存储器。
新内存技术的主要优势英特尔Optane DC永久内存：针对数据中心工作负载调整的非易失性高容量内存。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:致力于弥合数据中心DRAM和闪存之间的差距。将整个数据库存储在快速、非易失性的ReRAM中将完全改变内存计算。奠定大数据基础的问题在于，计算性能正以数据访问技术无法比拟的速度提升。当大型并行CPU或专用加速器耗尽缓存或快速系统内存时，被迫进入基于磁盘的慢速存储，这样字节被压缩，研磨(相对)停止。更大的SRAM高速缓存有助于将热数据保存在手边，而充足的DRAM为内存计算创造了奇迹。但是，这两种类型的存储设备都很贵。它们本质上也是易失性的，需要持续的数据保留能力。将这两种方法相加，并不是解决等待实时分析的海量数据的经济方法。
英特尔高级副总裁兼总经理rob Crooke 的非易失性存储器解决方案部门总结了这一基本挑战：DRAM的容量不足以解决今天的的实时数据分析问题，而传统存储的速度不够快。"
上图：新兴的内存技术有助于缩小闪存(虽然容量大但相对较慢)和DRAM(但容量更有限)之间的差距。
该公司 Optane技术适用于不断扩展的系统内存和基于闪存的固态硬盘、潜力提升分析、人工智能和内容交付网络之间的差距。DRAM非常适合内存处理，但是容量有限。SSD可以扩展到大规模部署，每GB成本低很多。他们就是不不具备实时事务操作的性能。Optane旨在连接两个世界。
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。英特尔没有说明其基于Optane的设备中的技术。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。
上图：英特尔 Optane DC永久存储模块插入主板的DIMM插槽，可以增加128GB到512GB的高速非易失性存储。
英特尔Optane DC永久内存位于连接到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。在电源故障的情况下，将保留关于在App Direct模式下运行的Optane DC永久内存DIMM的信息。相反，DRAM等易失性存储技术如果不经常刷新，数据会很快丢失。软件确实需要针对英特尔的技术。但是，正确的调整允许性能有限的应用程序以低延迟的内存操作访问Optane DC永久内存。
或者，DIMM可以用于内存模式，它们可以与易失性内存共存，以扩展容量。Optane DC永久内存可以部署在内存模式下，无需重写软件。
这项技术也可以用于英特尔所谓的应用直接存储模式，其中可以通过标准文件API访问永久内存地址空间。期望块存储的应用程序可以访问Optane DC永久存储模块的App Direct区域，无需任何特殊优化。与通过I/O总线移动数据相比，这具有更高性能的优点。
无论应用程序如何使用Optane DC持久性存储器，这项技术的优势都是一样的：容量、性能和耐用性。内存密集型数据中心应用(云和基础设施即服务)是直接受益者。内存、存储缓存层和网络功能的虚拟化也是如此。
Optane在MRAM边缘显示了希望，主要针对数据中心，而磁阻RAM或MRAM在各种物联网设备上显示了希望——IDC表示，传感器很快将每天接触数千次。
请考虑应用材料部记忆部总经理摩哂陀帕卡拉博士博客中的例子。它使用了一个具有语音和面部识别功能的安全摄像头，作为MRAM运作良好的例子。你希望这个摄像头在边缘处理尽可能多的数据，只把重要的信息上传到云端。然而，功耗是至关重要的。根据帕卡拉博士的说法，今天 edge器件主要使用SRAM存储器，每个单元使用多达6个晶体管，并且存在高有源泄漏功率，从而降低了效率。"作为替代方案，MRAM承诺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对于任何在边缘处理的人来说都是一个胜利。
MRAM的数据由一个磁性元件存储，该磁性元件由一对铁磁板形成，并由一个薄的电介质隧道绝缘体隔开。一个极板的极性是永久设定的，而另一个磁极的磁化强度改变以存储0和1。这些板块一起形成了一个磁隧道结(MTJ)。这些成为存储设备的基础。
像Optane DC永久记忆，MRAM是非易失性的。Everspin Technologies是MRAM技术的领导者之一。该公司表示，储存在MRAM中的数据可以在该温度下保存20年。MRAM也很快。Everspin宣称同步读写延迟在35ns以内。这接近于SRAM的夸张性能，以至于MRAM可以取代当今几乎任何易失性存储器。
这是传统MRAM缺少DRAM和闪存的地方。Everspin最近发布了一款32Mb的设备。然而，相比之下，每单元四位的最大NAND设备提供4Tb的密度。MRAM在物联网和工业应用中脱颖而出的更多原因是MRAM的性能、耐用性和无限耐久性可以弥补产能不足。
上图：Everspin 最新的1Gb自旋转移扭矩MRAM设备面向需要高容量、低延迟和耐用性的企业和计算应用。
自旋转移矩(STT-MRAM)是磁阻技术的一种变体，它通过用极化电流操纵电子自旋来工作。与MRAM相比，其机制需要更少的开关能量，从而降低功耗。STT-MRAM还具有更强的可扩展性。Everspin 的独立设备提供256Mb和1Gb的密度。像群联这样的公司可以将其中一个放在其闪存控制器旁边，并获得出色的缓存性能，以及断电保护的额外优势。你不不需要担心购买内置备用电池的固态硬盘。中的数据传输总是安全的，即使在意外关机的情况下也是如此。
英特尔、TSMC和UMC等代工厂对STT-MRAM感兴趣的另一个原因是，他们希望将其嵌入到他们的微控制器中。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，而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22纳米FinFET低功耗技术和现成的7.2Mb MRAM阵列。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需求的物联网、FPGA和芯片组的潜在解决方案。
ReRAM可能是内存计算的答案。在宣布MRAM与22FFL成功集成的几个月后，英特尔在固态电路国际会议上做了一次演示，推出了一个嵌入相同处理节点的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，号称功耗低，密度高。它可以放在DRAM和基于闪存的存储之间。然而，尽管MRAM的特点预示了物联网设备的寿命，但ReRAM正在为数据中心业务做准备，以缩小服务器内存和SSD的差距。
上图：Crossbar的ReRAM技术：在两个电极之间的介质中形成纳米纤丝，并通过不同的电压电平进行复位，从而形成低阻和高阻路径。
许多公司正在使用各种材料开发ReRAM。例如，Crossbar s 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，电介质中将形成纳米线，从而形成低电阻路径。然后灯丝可以通过另一个电压复位。在英特尔氧交换层下使用氧化钽高k电介质，导致其电极之间出现空位。这两个单元具有不同的组成，但是执行相同的功能，并且提供比NAND闪存快许多倍的读取和写入性能。
材料公司的Pakala博士表示，ReRAM似乎是内存计算中最可行的存储技术，其中数据存储在RAM中，而不是磁盘中的数据库。"通过使用欧姆定律和基尔霍夫根据s定律，矩阵乘法可以在阵列内完成，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，这就是为什么ReRAM 的成本优势是如此令人鼓舞。
上图：横木 ReRAM可以嵌入SoC，实现片上快速非易失性存储。
最好的还在后头。从工厂车间到数据中心，要充分利用计算资源而不花费大量资金，需要一种全新的存储方式。Energias市场研究公司预测，从现在到2025年，MRAM市场将快速增长，复合年增长率为49.6%，达到12亿美元。谷林联合公司预测，到2028年，Optane的核心技术3D XPoint内存将推动收入超过160亿美元。显然，需要一种新的存储器来解决闪存、DRAM和SRAM即将出现的局限性。
那里没有不一定只有一个赢家。这三种新兴的存储器类型可以共存于存储层次结构的所有级别，并且具有共同的目标：确保即将到来的数据洪流不会淹没现有的访问技术。在采用第二代至强可扩展处理器的服务器中，英特尔Optane DC永久内存已经非常丰富。与MRAM SSD控制器一起使用，替代DRAM 的写缓存。由于应用材料公司的Endura Impulse光伏量产系统，ReRAM比以往任何时候都更加可行。如果你认真对待处理大量数据，那么接下来的五年将是至关重要的。现在它是时候开始权衡你的选择了。
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