幾年前，IDC預測，到2025年，普通人每天與聯網設備的互動次數將達到4800次。從這些傳感器涌入的信息將推動機器學習、語言處理和人工智能，所有這些都需要快速存儲和更大的計算能力。下一代內存技術將解決當前存儲層次結構中的缺陷，將數據交付到需要實時處理的地方。

　　新興的存儲器技術保證了在沒有SRAM和DRAM的高成本或功耗的情況下，將大量數據保持在離處理器更近的位置。大多數都是非易失性的，就像SSD內部的NAND閃存，而且比NVMe附加的固態硬盤快得多。

　　在本文里，我們將研究六種新型存儲技術，它們可以解決即將到來的大數據瓶頸。當中主要介紹了英特爾的Optane、兩種類型的磁阻RAM（MRAM）和電阻隨機存取存儲器（ReRAM）、納米管RAM、鐵電RAM和相變存儲器。

　　首先我們看一下新內存技術的主要優點：

　　IntelOptaneDC持久內存：針對數據中心工作負載調整的非易失性高容量內存?？赏ㄟ^內存操作或塊存儲訪問。

　　MRAM：非易失性存儲器，可以完全斷電，然后快速喚醒，以便在物聯網應用程序中進行快速寫入。

　　ReRAM：承諾將在數據中心的DRAM和flash之間架起一座橋梁。整個數據庫存儲在快速、非易失性的ReRAM中將徹底改變內存計算。

　　納米管RAM：非易失性存儲器，具有DRAM級的性能和令人難以置信的數據保留能力。與DDR協議的兼容性意味著我們可以看到配備NRAM的DIMM能夠插入內存插槽。

　　相變存儲器：與當今的NAND閃存類似，相變存儲器是非易失性的。具有更好的寫入性能，出色的耐久性和更低的功耗的潛力。

　　鐵電RAM：盡管它的密度很低，但在數據持久性、低功耗和幾乎無限寫持久性的應用中，它是SRAM的一個可行替代品。

　　為大數據做準備

　　計算性能的增長速度是數據訪問技術無法比擬的。當大規模并行CPU或專門構建的加速器耗盡超高速緩存或高速系統內存時，它們被迫進入基于磁盤的慢速存儲，以獲取字節，并逐漸停止。更大的SRAM緩存有助于保持熱（hot）數據在手邊，豐富的DRAM為內存計算創造奇跡。然而，這兩種類型的存儲都很昂貴。它們本質上也是不穩定的，我們需要探索更好的方式來保存數據。而通過增加這兩種存儲的方法來解決等待實時分析的龐大數據量的方法都是不經濟。

　　英特爾非易失性內存解決方案部門的高級副總裁兼總經理RobCrooke這樣總結了基本的挑戰：“DRAM不足以解決當今的實時數據分析問題，傳統的存儲速度又不夠快?！?/p>

　　上圖：新興的存儲技術有助于縮小flash和DRAM之間的差距，前者容量大但速度相對較慢，而DRAM速度快但容量有限。

　　據介紹，該公司的Optane技術適用于拉近系統內存和基于閃存的固態硬盤之間日益增長的差距，可能會增強分析、人工智能和內容交付網絡。DRAM非常適合內存處理，但它的容量也有限。當固態硬盤擴展到大規模部署時，每千兆字節的SSD成本要低得多。它們只是沒有實時事務操作的性能。而Optane被設計來“連接這兩個世界”。

　　Optane采用獨特的架構，該架構由堆疊在密集的三維矩陣中的可單獨尋址的存儲單元組成。英特爾并未透露其基于Optane打造的設備中使用的技術的具體信息。但是，我們確實知道Optane可以像DRAM或SSD一樣工作，而這具體取決于其配置。

　　英特爾的OptaneDC持久性內存放入連接到CPU內存控制器的標準DIMM插槽中。它最大可提供512GB的容量，可容納的數據量是最大DDR4模塊的幾倍。斷電時，在AppDirect模式下運行的OptaneDC永久內存DIMM的有關信息將保留。相反，諸如DRAM之類的易失性存儲技術如果不經常刷新，則會迅速丟失數據。軟件確實需要針對英特爾的技術進行優化。但是，正確的調整可以讓性能受限的應用程序以低延遲的內存操作訪問OptaneDC永久內存。

　　另外，也可以在內存模式下使用DIMM，將它們與易失性內存共存以擴展容量。無需重寫軟件即可在“內存模式”下部署OptaneDC永久內存。

　　這項技術也可以用于英特爾所謂的“應用程序直接存儲”（StorageOverAppDirectMode）模式，在這種模式下，可以通過標準的文件API訪問持久內存地址空間。希望使用塊存儲的應用程序可以直接訪問OptaneDC持久存儲模塊的應用程序區域，而不需要進行任何特殊的優化。與在I/O總線上移動數據相比，這樣做的好處是提高了性能。

　　不管應用程序如何使用OptaneDC永久存儲器，該技術的優勢都一樣：容量，性能和持久性。內存占用量大的數據中心應用程序（認為云和基礎架構即服務）是直接受益者。內存數據庫，存儲緩存層和網絡功能虛擬化也是如此。

　　MRAM在邊緣展現出優勢

　　Optane的主要目標是數據中心，而磁阻存儲器（MRAM）在很多物聯網設備上都有應用前景。

　　讓我們來看看應用材料公司記憶組的常務董事MahendraPakala博士的一篇博客文章中的一個例子。它使用了一個帶有語音和面部識別的安全攝像頭，作為MRAM良好工作的一個例子。你希望攝像頭在邊緣處理盡可能多的數據，只上傳對云計算有意義的信息。然而，功耗成為當中一個最受關注的問題。但Pakala博士表示，如今的邊緣設備主要使用的是SRAM存儲器，這種存儲器每個cell最多可使用6個晶體管，而且可能會受到高有源漏電功率（highactiveleakagepower）的影響，從而影響效率。作為一種替代方案，MRAM可以將使晶體管密度提高數倍，從而實現更高的存儲密度或更小的芯片尺寸。更大的容量，更緊湊的芯片，更低的功耗，聽起來像是所有處于邊緣處理器的勝利。

　　MRAM中的數據是由一對鐵磁板形成的磁性元件來存儲的，這對鐵磁板之間由薄的介電隧道絕緣體隔開。其中一個板塊的極性是永久性的，而另一個板塊的磁化強度會改變，以存儲0和1。這些板塊在一起形成了一個磁性隧道結（MTJ），組成內存設備的構件。

　　與Optane一樣，MRAM也是非易失性的。EverspinTechnologies是MRAM技術的領導者之一，該公司表示，存儲在其ToggleMRAM中的數據在常溫下可以保存20年。MRAM也非?？?。Everspin聲稱同時讀寫延遲在35ns范圍內。這接近于SRAM所“吹噓”的性能，使得MRAM成為當今幾乎所有易失性存儲器的有吸引力的替代品。

　　與傳統的DRAM和閃存相比，MRAM的一個明顯差距在其容量方面。如Everspin最近發布了一個32Mb的設備。但相比之下，最大的每單元4位的NAND部件提供了4Tb的密度。但MRAM更有理由在物聯網和工業應用領域脫穎而出，因為其性能、持久性和無限的續航能力足以彌補其容量的不足。

　　STT-MRAM則是磁阻技術（magneto-resistive）的一種變體，其工作原理是利用極化電流（polarizingcurrent）操縱電子自旋。它的機制比切換MRAMs需要更少的轉換能量，從而降低了功耗。STT-MRAM也具有更好的可伸縮性。Everspin的獨立MRAM有256Mb和1Gb的密度。像Phison這樣的公司可以將其中的一個放到flash控制器旁邊，并獲得驚人的緩存性能和額外的斷電保護。你不必擔心購買內置電池備份的SSD。進行中的數據傳輸始終將是安全的，即使在意外停機的情況下也是如此。

　　英特爾（Intel）、臺積電（TSMC）和聯電（UMC）等代工廠對STT-MRAM感興趣的另一個目的是：他們希望將其嵌入微控制器中。這些設計中目前使用的NOR閃存很難擴展到較小的制造節點，而MRAM的集成更經濟。實際上，英特爾已經發表了一篇論文，展示了其可將22nmFinFET低功耗工藝與7.2MbMRAM陣列集成的可量產方案。該公司表示，MRAM作為嵌入式非易失性存儲器，是具有片上啟動數據要求的IoT、FPGA和芯片組的潛在解決方案。

　　ReRAM可能是內存計算的解決方案

　　在宣布成功將MRAM與22FFL制造集成幾個月后，英特爾還在國際固態電路會議上發表了一篇演講，介紹了一種嵌入同一進程節點的3.6Mb電阻隨機存取存儲器（ReRAM）宏（macro）。

　　ReRAM是另一種類型的非易失性存儲器，它宣揚低功耗、高密度以及介于DRAM和閃存之間的性能。然而，MRAM的特性預示著物聯網設備的生命，但ReRAM正在為數據中心事業做準備，以縮小服務器內存和SSD之間的差距。

　　上圖：Crossbar的ReRAM技術：在兩個電極之間的電介質中形成納米薄膜，并通過不同的電壓水平進行復位，創建低阻和高阻路徑。

　　有幾家公司正在開發使用多種材料的ReRAM。例如，Crossbar的ReRAM技術使用了一種夾在頂部和底部電極之間的硅基開關材料。當電極之間施加電壓時，在電介質中形成nanofilament，形成低電阻路徑（low-resistancepath）。然后filament可以通過另一個電壓復位。英特爾則使用了一種位于氧氣交換層（oxygenexchangelayer）下的氧化鉭（tantalumoxide）high-K介質，在電極之間創建了空缺（vacancies）。這兩個cell在組成上不同，但是執行相同的功能，與NAND閃存相比，具有更快的讀寫性能。

　　應用材料公司的Pakala博士則表示，ReRAM似乎是內存計算中最可行的存儲技術，數據保存在RAM中而不是磁盤的數據庫中?！翱梢岳脷W姆定律和基爾霍夫定律在陣列內完成矩陣乘法，而無需將權重移入或移出芯片。多級單元架構有望將存儲密度提高到一個新的水平，從而可以設計和使用更大的模型?！痹贒RAM中處理這些模型的成本非常高，這就是ReRAM的成本優勢如此令人鼓舞的原因。

　　上圖：CrossBar的ReRAM可以嵌入SoC中，以實現快速、非易失的板載存儲。

　　納米管RAM瞄準DRAM

　　納米管RAM是一種非易失性存儲器，它具有DRAM級的性能和令人難以置信的數據保留能力。與DDR協議的兼容性意味著我們可以看到配備NRAM的DIMM能夠插入內存插槽。而由Nantero開發的NRAM是由碳納米管（CNT）存儲單元組成的，它能夠以極具競爭力的價格提供極好的性能，數據持久性（如SSD中的NAND閃存），待機模式下的零功耗，以及出色的保存性。

　　上圖：CNT存儲單元的設置和復位狀態由高電阻和低電阻定義，它們對應于1和0。

　　每個CNT單元由沉積在兩個電極之間的數百個碳納米管組成。在電極之間施加的開關電壓迫使管子連接或斷開，從而導致電阻變化，該電阻對應于1和0。分子力足以有效地維持這些狀態，以使Nantero即使在300°C時也能擁有300多年的數據保留能力。

　　對于與DRAM一樣快的持久性內存技術（也稱為內存類存儲），業務案例并不缺乏。但在今年的存儲開發者大會上，Nantero的首席系統架構師BillGervasi讓我們領略了NRAM的世界。

　　“我們的碳納米管存儲器是作為一個交叉點來實現的。我們要做的是取這些交點，然后在它前面放一個DDR4或DDR5PHY。我們正在做的是把DDR協議轉換成我們的內部結構。”

　　上圖：如果內存類存儲能夠從配備NRAM的DIMM運行所有工作負載，那這項技術的興起可能就是革命性的

　　同時擔任JEDEC非易失性存儲器委員會（JEDECnon-volatilememorycommittee）主席的格瓦西（Gervasi）接著描述了一種使用與DDR要求兼容的技術（如NRAM）替代DRAM的技術。這些新模塊很快將為完全無存儲系統鋪平道路。

　　任何想要在主存中安裝應用程序的人都應該對內存類存儲的影響感到非常興奮，特別是因為提出的NVRAM標準增強了DDR5協議，支持每個設備128Tb（或16TB）。特別是對于內存內計算來說，每個DIMM的內存槽會有大量的NRAM。

　　相變存儲器：Optane可以證明這是可行的

　　在前面，我們介紹了Intel的OptaneDC持久內存。但我們沒有確定Optane的底層技術，這是被Intel嚴密保護的。話雖如此，但近兩年的行業分析表明，Optane是一種相變存儲器（PCM）。由于Optane已經在產生收益，到2029年，其他PCM也很有可能實現進入一個價值高達200億美元的新興內存市場。

　　圖：通過改變溫度，可以將硫屬化物玻璃置于無定形或結晶狀態，從而影響其電阻。

　　相變技術利用了硫系玻璃（chalcogenideglass）的新穎性能。短暫地施加高溫，讓玻璃冷卻，使其進入無定形狀態，并具有高電阻。我們再把它加熱到一個較低的溫度，時間長了之后，合金（alloy）就會恢復到低電阻的結晶狀態。

　　與閃存相比，PCM提供了更好的寫入性能。該技術還應提供更高的耐用性，更低的功耗和更快的訪問時間，這些都是滿足數據密集型計算引擎所需的特性。

　　在2019年閃存峰會的一次演講中，MKWVentures咨詢公司的MarkWebb預測，由英特爾以外的公司提出的基于pcm的芯片將在2020年出現。IBM、美光（Micron）、三星（Samsung）、意法半導體（STMicroelectronics）和西部數據（WesternDigital）也都是這一領域的參與者。英特爾可以優化其處理器和架構，最大限度地從Optane的功能中獲益，因此它在任何即將到來的戰斗中都享有很大的優勢。然而，在簡化PCM技術方面還有很多工作要做，這可能會加劇競爭。

　　AbuSebastian和他在IBM的研究團隊正在探索僅使用一種化學元素-銻（antimony）來制造更小，更致密，更高效的PCM。盡管他們仍在努力使材料在室溫下不會快速結晶，但研究人員認為他們可以增加其保留時間。如果成功，那么確保材料的一致性會變得更加容易，從而有可能提高耐久度。

　　FRAM填補了重要位置

　　上文提到的所有存儲技術都是非易失性的。然而其他方法提供了創新的方法來使大量持久性數據更接近計算資源，但鐵電RAM（FRAM）僅在密度高達8MB的情況下可用。換句話說，您不會很快看到它位于服務器CPU的兩側。

　　然而，在持久性（本質上是無限的寫持久性）和非常低的功耗優先于成本或容量的應用中，FRAM確實可以發揮作用。CypressSemiconductor和富士通（Fujitsu）是FRAM在大容量應用領域的合作伙伴，它們認為智能電表、汽車信息娛樂、可穿戴電子設備和車輛數據記錄器是該技術的優勢應用領域。

　　上圖：鋯鈦鉛（PZT）分子中的正電荷離子可能處于兩種低能態之一。這形成了FRAMs用來存儲數據的鐵電性質。

　　和DRAM一樣，FRAM是基于一個晶體管、一個電容的存儲單元設計。但是FRAM獨特地使用具有鐵電性質的材料作為其電容介質。電介質的每個分子中間都有一個帶正電荷的離子，它具有兩種相等的低能態，可以通過向一個方向或另一個方向施加電場來設置。當電力中斷，電壓降低時，這些狀態保持不變。

　　但是由于存儲單元電容器需要保持足夠的電荷以用于檢測放大器以檢測1和0，因此FRAM單元很大。幾家公司正在探索具有更好擴展前景的傳統FRAM的替代方法。例如，FMC正在使用氧化鉿（已經是標準高k金屬柵晶體管中的柵絕緣體）對其進行改性，以賦予材料鐵電性能。

　　上圖：根據FMC，任何邏輯晶體管都可以通過賦予其氧化鉿絕緣體鐵電特性而轉變成存儲器。

　　業界仍在努力完善這種所謂的FeFET，但其擴大鐵電存儲器技術應用范圍的潛力正引起關注。如果任何一種邏輯晶體管都能變成一個存儲單元，FeFET最終可能會比嵌入式閃存或與之競爭的非易失性存儲器技術具有更高的性能、更低的功耗、更易于制造。在物聯網應用、消費電子產品和汽車存儲領域保持FeFET的關注。該技術固有的抗篡改性能非常適合于增強卡芯片上的數據安全性，而輻射硬度能夠經受住醫療和航空航天環境的嚴酷考驗。

　　我們需要新的存儲技術

　　隨著需求的增加，DRAM和flash似乎已經無法跟上生成的大量數據的需求。每個公司似乎都有存儲層次結構的可視化表示，在這兩種技術之間有一些差距。這個問題只會變得更糟。

　　上圖：DRAM和NAND閃存之間可能存在多種非易失性內存技術。

　　分析師MarkWebb認為，DRAM將在未來五年內繼續擴展。但是，它的速度正在放緩，而DRAM易失的事實為數據丟失打開了大門。至少NAND存儲器具有持久性。但是隨著flash規?？s放，耐用性和性能會受到打擊。因此，確實沒有一種技術是理想的。

　　作為回應，業界正在努力尋找一種通用內存，這種內存能夠提供DRAM級的性能、數據持久性、無限的持久性以及比NAND的每比特成本更低。敬請期待。我們亟需一種新的存儲方法。

　　而我們也必須承認，我們上面討論的新興記憶中沒有一個符合所有這些條件，但兩者的結合將保持大數據的流動。不過隨著數據處理需求的增長，我們必須密切關注存儲類內存和內存類存儲之類的術語。在這些保護傘下，新出現的記憶將被分類，增強DRAM和NAND閃存。

　　而EnergiasMarketResearch預計，MRAM市場從現在到2025年將迅速增長，復合年增長率也將高達49.6%，解釋這個市場容量將達到12億美元。CoughlinAssociates預測，3DXPointmemory——Optane的核心技術——到2028年將把英特爾的收入提高到160億美元。我們也的確需要新的內存來解決即將到來的閃存、DRAM和SRAM的限制。

　　各大新興技術應該努力，因為未來也不一定只有一個贏家。