存儲器是現(xiàn)代信息系統(tǒng)的關(guān)鍵組件之一，已經(jīng)形成了一個主要由DRAM與NAND Flash組成的超過1600億美元的市場。同時，新型存儲開始逐步邁向產(chǎn)業(yè)化，將有可能重塑未來存儲市場格局。我國正在大力發(fā)展存儲產(chǎn)業(yè)，提前布局新型存儲將是建立未來存儲產(chǎn)業(yè)生態(tài)的重要部分。

新型存儲主要指相變、磁變、阻變存儲

目前，受到廣泛關(guān)注的新型存儲器主要有3種：相變存儲器(PCM)，以英特爾與美光聯(lián)合研發(fā)的3D Xpoint為代表;磁變存儲器(MRAM)，以美國Everspin公司推出的STT-MRAM為代表;阻變存儲器(ReRAM)，目前暫無商用產(chǎn)品，代表公司有美國Crossbar。

事實上，上述新型存儲器已經(jīng)被研究了數(shù)十年，只是相對于早已產(chǎn)業(yè)化的SRAM、DRAM、和NAND Flash，還未能大規(guī)模商用。存儲產(chǎn)業(yè)未來的技術(shù)發(fā)展方向仍是未知數(shù)。

新型存儲核心是解決“存儲墻”問題

存儲墻”問題來源于當(dāng)前計算架構(gòu)中的多級存儲，隨著處理器性能的不斷提升，這一問題已經(jīng)成為制約計算系統(tǒng)性能的主要因素。

當(dāng)前主流的計算系統(tǒng)，從大型服務(wù)器集群、PC、再到智能手機(jī)，無一例外地都采用馮諾依曼架構(gòu)，其特點在于程序存儲于存儲器中，與運算控制單元相分離。

為了滿足速度和容量的需求，現(xiàn)代計算系統(tǒng)通常采取高速緩存(SRAM)、主存(DRAM)、外部存儲(NAND Flash)的三級存儲結(jié)構(gòu)，如圖所示。

圖 常見的存儲系統(tǒng)架構(gòu)及存儲墻

越靠近運算單元的存儲器速度越快，但受功耗、散熱、芯片面積的制約，其相應(yīng)的容量也越小。

SRAM響應(yīng)時間通常在納秒級，DRAM則一般為100納秒量級，NAND Flash更是高達(dá)100微秒級，當(dāng)數(shù)據(jù)在這三級存儲間傳輸時，后級的響應(yīng)時間及傳輸帶寬都將拖累整體的性能，形成“存儲墻”。

由于DRAM和NAND Flash本身物理特性的限制，單純依靠改良現(xiàn)有的存儲器很難突破“存儲墻”。因此，新型存儲開始受到廣泛關(guān)注，其特點在于同時具備DRAM的讀寫速率與壽命以及NAND Flash的非易失特性。

這使得新型存儲理論上可以簡化存儲架構(gòu)將當(dāng)前的內(nèi)存和外存合并為持久內(nèi)存，從而有望消除或縮小內(nèi)存與外存間的“存儲墻”。

此外，一些新的應(yīng)用也開始嘗試使用新型存儲，例如存內(nèi)計算(PIM)。這是一種將邏輯運算單元直接嵌入內(nèi)存中的非馮諾依曼架構(gòu)，理論上能夠完全消除“存儲墻”問題，在深度學(xué)習(xí)應(yīng)用中優(yōu)勢明顯。國外已經(jīng)有使用MRAM、ReRAM作為存內(nèi)計算存儲單元的實驗報道。

主流新型存儲的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

當(dāng)前的3種新型存儲均處于起步階段，PCM發(fā)展最快。由于英特爾的主推，PCM商業(yè)化進(jìn)程最快，已經(jīng)有傲騰H系列混合固態(tài)盤、以及傲騰M系列持久內(nèi)存兩款主要面向數(shù)據(jù)中心的商用產(chǎn)品，與英特爾自身的處理器配套形成一套完整的數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用解決方案。

MRAM方面，Everspin已經(jīng)有產(chǎn)品應(yīng)用于航空航天等特定領(lǐng)域，并于2019年開始與格芯合作，試生產(chǎn)28nm制程的1Gb STT-MRAM產(chǎn)品。ReRAM仍然尚未商用，初創(chuàng)公司如Crossbar正致力于其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

當(dāng)前的新型存儲尚不具備替代DRAM或NAND閃存的能力，市場主要集中于低延遲存儲與持久內(nèi)存。分別比較3種存儲的介質(zhì)特性，如下表所示。

表 新型存儲及傳統(tǒng)存儲特性對比

MRAM具有最好的讀寫速率和使用壽命，從理論上有機(jī)會替代現(xiàn)有內(nèi)存和外存，但是由于涉及量子隧穿效應(yīng)，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(jìn)一步突破之前，MRAM的產(chǎn)品主要適用于容量要求低的特殊應(yīng)用領(lǐng)域以及新興的IoT嵌入式存儲領(lǐng)域。

PCM在讀寫速率以及使用壽命上都難以替代DRAM，但是已經(jīng)大幅優(yōu)于NAND Flash。當(dāng)前產(chǎn)品的主要問題在于存儲密度過低，在容量上無法替代NAND Flash。

從英特爾3D Xpoint的持續(xù)虧損來看，其成本和良率也是瓶頸之一。當(dāng)前PCM產(chǎn)品主要用作持久內(nèi)存以及低延遲存儲中的SSD緩存。

ReRAM在工藝上與CMOS完全兼容，能夠較容易擴(kuò)展至先進(jìn)工藝節(jié)點。

但是由于存儲介質(zhì)中的導(dǎo)電通道具有隨機(jī)性，在二進(jìn)制存儲中難以保證大規(guī)模陣列的均一性。也正因為這一特點，普遍認(rèn)為ReRAM在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算中具有獨特的優(yōu)勢。未來ReRAM相關(guān)產(chǎn)品有機(jī)會在特定算法的加速芯片領(lǐng)域應(yīng)用。

我國發(fā)展新型存儲的挑戰(zhàn)與機(jī)遇

我國新型存儲產(chǎn)業(yè)化能力及知識產(chǎn)權(quán)布局實際已經(jīng)大幅落后。相變存儲器和阻變存儲器的專利從2000年左右開始逐漸增加，磁變存儲器更是從1990年就開始有專利申請。

英特爾在2015年發(fā)布3D Xpoint，實際上已經(jīng)經(jīng)歷了十余年的發(fā)展。我國目前尚處于科學(xué)研究階段，如果想要發(fā)展產(chǎn)業(yè)勢必會遇到和發(fā)展DRAM、NAND Flash相同的知識產(chǎn)權(quán)問題。

我國缺乏像英特爾、三星、鎧俠（原東芝）這樣的巨頭作為新型存儲的產(chǎn)業(yè)主體。這些企業(yè)一方面已經(jīng)在存儲領(lǐng)域深耕數(shù)十年，有豐富的技術(shù)積累、人才積累、以及產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗;另一方面，又有強大的資金支持，擁有高額的利潤用于研發(fā)。

我國在新型存儲領(lǐng)域的研發(fā)仍主要依靠科研經(jīng)費和專項補貼，缺乏對應(yīng)的產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗。

產(chǎn)業(yè)格局上，相對于傳統(tǒng)的DRAM和NAND Flash，新型存儲尚未形成行業(yè)壟斷，產(chǎn)品路線也不夠明朗，我國在這一領(lǐng)域具有換道超車的可能。

技術(shù)上，未來存儲技術(shù)路線尚不明確，存在技術(shù)追趕甚至反超的機(jī)遇。市場上，隨著我國在5G、人工智能等新興領(lǐng)域的快速發(fā)展，存儲需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，有足夠廣闊的新型存儲潛在市場。