目前，業(yè)界至少在攻關(guān)五種新型內(nèi)存技術(shù)，其中3D XPoint處于領(lǐng)先地位。

隨著供應(yīng)商將一系列新技術(shù)推向臺前，下一代內(nèi)存市場之爭未火先熱，只不過，這些新產(chǎn)品晉身主流還需要克服一些挑戰(zhàn)。

多年來，業(yè)界一直致力于各種新興存儲技術(shù)，包括納米管RAM、FRAM、MRAM、相變存儲器和ReRAM。有的已經(jīng)開始出貨，有的還處于研發(fā)階段。這些新的內(nèi)存類型各不相同，而且都是針對特定應(yīng)用，但是它們都號稱可以取代當(dāng)今系統(tǒng)內(nèi)存/存儲器層次結(jié)構(gòu)中的一個或多個傳統(tǒng)內(nèi)存。

SRAM位于內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)的第一層，它被集成到處理器中以實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)訪問。第二層是DRAM，是系統(tǒng)主存。之后是用于存儲的磁盤驅(qū)動器和基于NAND的固態(tài)存儲（SSD）。

圖1：內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)-DRAM/SRAM和Flash器件特性相反，給存儲級內(nèi)存留下了存在空間。

現(xiàn)在的內(nèi)存和存儲器依然有效，但越來越跟不上系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)和帶寬需求。比如，DRAM速度很快還是過于耗電，NAND和硬盤雖然便宜但是速度過慢。

這就是下一代內(nèi)存的用武之地。這些新的內(nèi)存類型既有SRAM的速度，又能兼顧flash的非易失性。這些技術(shù)的規(guī)格固然驚艷，但它們要么進(jìn)展太慢，要么實現(xiàn)不了其價值主張，或者兼而有之。

實際上，實現(xiàn)這些新的內(nèi)存類型的大規(guī)模量產(chǎn)是一項艱巨的任務(wù)。這些內(nèi)存依賴于新奇的材料和開關(guān)機(jī)制，使得它們很難制造或者難以在現(xiàn)場正常工作。同時，它們的成本都很昂貴。

總而言之，新的內(nèi)存仍然是利基產(chǎn)品，但是它們已經(jīng)取得了一些明顯的進(jìn)步。比如，英特爾正在推出名為3D XPoint的下一代內(nèi)存，格羅方德、三星、臺積電、聯(lián)電也正在為嵌入式市場開發(fā)新的內(nèi)存類型。 “真正重要的是，邏輯器件晶圓廠正在為嵌入式存儲器開發(fā)MRAM和阻變式RAM，它們正在努力降低成本，“Objective Analysis的分析師Jim Handy說。 “它們用在主流內(nèi)存市場確實成本太高了，這使得它們只能用在愿意花大價錢的地方，因為如果不用這些昂貴器件就無法實現(xiàn)自己的目標(biāo)。”

傳統(tǒng)內(nèi)存仍然是當(dāng)今系統(tǒng)應(yīng)用的主流，但新的內(nèi)存類型提供了一些可供斟酌的選擇。下面，本媒體就和讀者分享下一代內(nèi)存技術(shù)的進(jìn)展。

3D XPoint的崛起

下一代內(nèi)存技術(shù)的演進(jìn)花了很長時間，但是它們確實取得了一定進(jìn)展。每種新的內(nèi)存技術(shù)都有一些有趣的特性，均聲稱可以超越傳統(tǒng)內(nèi)存。

但是，至少從目前來看，這些新的存儲器仍然無法取代DRAM、SRAM和Flash。

因為內(nèi)存的主要衡量指標(biāo)是性能、密度和成本。比如，傳統(tǒng)內(nèi)存單元的大小等于特征尺寸的平方乘以4，即4F2。而最新的3D NAND器件每個單元有四位（QLC），理論上的單元尺寸等價為1F2。

“因此，如果你想取代NAND，你必須做得比1F2更便宜。據(jù)我所知，在我們的有生之年應(yīng)該都看不到這種替代品了。”碳納米管RAM開發(fā)商Nantero的內(nèi)存專家和董事會成員Ed Doller說。

為了取代DRAM，新的內(nèi)存類型不僅要更便宜，還需要構(gòu)建圍繞它的整個生態(tài)系統(tǒng)，比如和DRAM兼容的接口和控制器。

如果新的內(nèi)存類型不會取代傳統(tǒng)內(nèi)存，那它們用在什么地方呢？ Lam Research高級技術(shù)總監(jiān)Alex Yoon在一篇博客中表示，“云計算和最新的移動產(chǎn)品等應(yīng)用推動了對可結(jié)合DRAM內(nèi)存速度與NAND更高位密度和更低成本的新型內(nèi)存類別的需求。為了滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，業(yè)界正在探索幾項新技術(shù)。其中有些針對嵌入式應(yīng)用，有的專注片上系統(tǒng)（SoC），有的則專注于存儲級內(nèi)存領(lǐng)域。”

現(xiàn)在，新的內(nèi)存類型已經(jīng)在內(nèi)存/存儲層次結(jié)構(gòu)中找到了當(dāng)今內(nèi)存無法滿足其需求的利基市場。有的甚至小幅分蝕了DRAM和Flash的市場份額。但是目前尚不清楚新的內(nèi)存類型是否會成為主流技術(shù)。

圖2 存儲器架構(gòu)

仍然沒有一種新的內(nèi)存技術(shù)可以滿足所有要求，因此，隨著時間的推移，客戶可能會使用其中一個或多個新內(nèi)存。“它們都有自己的位置，”ReRAM供應(yīng)商Crossbar營銷和業(yè)務(wù)開發(fā)副總裁Sylvain Dubois說。 “在某些情況下，它們有一定的競爭性，有一些重疊的空間。但是很明顯，它們都有不同的定位。”

然而，一項新技術(shù)正在冉冉升起，當(dāng)今內(nèi)存市場最大的變化就是英特爾和美光開發(fā)的下一代技術(shù)3D XPoint的崛起。

3D XPoint于2015年正式推出，當(dāng)其時，它被吹捧為集成了DRAM和NAND各自優(yōu)點的存儲級內(nèi)存。理論上來說，它應(yīng)該比NAND快1000倍，耐用性高1，000倍。

但是實際上，3D XPoint的進(jìn)展不達(dá)預(yù)期，也沒有實現(xiàn)當(dāng)初承諾的那些技術(shù)規(guī)格。咨詢公司MKW Ventures的負(fù)責(zé)人 Mark Webb說：“我們知道其中有很大的炒作成分，現(xiàn)實情況有很大不同，但是它的表現(xiàn)仍然非常驚人。3D XPoint產(chǎn)生的收入將超過所有其它新的非易失性存儲器。”

事實上，經(jīng)過幾次延遲后，英特爾目前正在爬產(chǎn)SSD和其他基于3D XPoint的產(chǎn)品。 最終，英特爾將在用于服務(wù)器的DIMM中部署該技術(shù)。 “有了3D XPoint，英特爾推出了全球速度最快的固態(tài)硬盤，”韋伯說。 “不過，DIMM再度推遲了。”

據(jù)MKW稱，3D XPoint的銷售額預(yù)計將從不久前的零增長到2018年的7.5億美元。到2020年，3D XPoint的收入預(yù)計將達(dá)到15億美元。

相比之下，根據(jù)Coughlin Associates和Objective Analysis的報告，MRAM在2017年的營業(yè)額為3600萬美元，其它內(nèi)存類型幾乎沒有什么收入。

與DRAM和NAND相比，新型內(nèi)存的收入簡直不值一提。根據(jù)IC Insights的數(shù)據(jù)，預(yù)計2018年DRAM市場銷售額將達(dá)到1016億美元，而NAND將達(dá)到4280億美元。

3D XPoint基于一種被稱為相變存儲器（PCM）的技術(shù)。PCM以非晶相和結(jié)晶相存儲信息，它可以通過外部電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)位的取反。

圖3 3D XPoint存儲器架構(gòu)

3D XPoint器件采用兩層堆疊架構(gòu)，使用20nm工藝可實現(xiàn)128千兆位的密度。MKW表示，它的讀取延遲約為125ns，可擦寫次數(shù)為20萬次。

3D XPoint確實速度很快，但并沒有達(dá)到所聲稱的NAND的1000倍。“它的成本也遠(yuǎn)高于NAND，”Webb說。“它并不是DRAM的替代品，而是DRAM的有益補充。”

3D XPoint下一步怎么走？它在DIMM領(lǐng)域存在重大機(jī)遇。當(dāng)英特爾最終推出DIMM時，它們將同時集成3D XPoint和DRAM。“英特爾可以優(yōu)化處理器和架構(gòu)，以充分利用3D XPoint的性能特征。”他說。

盡管如此，該技術(shù)的未來仍然存在不確定性。英特爾和美光正在分別開發(fā)3D NAND和3D XPoint。之前曾經(jīng)說過，兩家公司在完成各自品類的現(xiàn)有產(chǎn)品的開發(fā)后，將分道揚鑣，獨立研究這些技術(shù)。

目前還不清楚美光是否會推出3D XPoint器件。到目前為止，美光尚未發(fā)布3D XPoint產(chǎn)品，因為該技術(shù)似乎與其DRAM和NAND產(chǎn)品互相競爭。

顯然，英特爾有資源獨自推出3D XPoint器件，但是問題在于英特爾能否用這項技術(shù)收回其龐大的研發(fā)投資。