谈谈新型存储

　　存储器是半导体的重要市场之一，其约占据了半导体近1/3的市场份额。其中，从存储芯片细分产品来看，DRAM和NAND Flash占据了存储芯片95%以上的市场份额，NOR闪存占比1%，其他存储芯片份额较小。

　　DRAM读写速度快，断电后数据无法保存，长期以来一直是计算机、手机内存的主流方案。计算机的内存条(DDR)、显卡的显存(GDDR)、手机的运行内存(LPDDR)，都是DRAM的一种;NAND Flash属于数据型闪存芯片，可以实现大容量存储，且断电后数据不会丢失，但读写速度较慢，被广泛用于eMMC/EMCP、U盘、SSD等市场。

　　回顾存储器的发展历程来看，其技术演进路线主要取决于应用场景的变化。

　　上世纪70年代起，DRAM进入商用市场，并以其极高的读写速度成为存储领域*分支市场;功能手机出现后，迎来NOR Flash市场的爆发;进入PC时代，人们对于存储容量的需求越来越大，低成本、高容量的NAND Flash成为*选择。

　　如今，随着万物智联时代的到来，5G、人工智能、智能汽车等新兴应用场景对数据存储在速度、功耗、容量、可靠性等层面提出了更高要求。DRAM虽然速度快，但功耗大、容量低、成本高，且断电无法保存数据，使用场景受限;NOR Flash和NAND Flash读写速度低，存储密度受限于工艺制程。

　　当传统路径中延续性技术创新的弊端已经暴露出来，市场亟待能够满足新场景需求的存储器产品，新型存储迎来机会窗口。

　　与此同时，今年存储市场逐渐遇冷，价格连续下跌，存储行业进入下行周期;英特尔关闭傲腾业务空出20亿高速增长的市场缺口;日益严重的“存储墙”和“性能墙”问题对计算系统的制约以及CXL协议的推出等等因素之下，新型存储凭借颠覆性的技术创新路径，迎来赶超传统存储技术寡头的一次机会。

　　据Objective Analysis和Coughlin Associates发布的报告显示，新型存储器已经开始增长，预计到2032年市场规模将会攀升至440亿美元，迎来广阔的市场空间。

　　新型存储知多少？

　　目前，新型存储器主要有PCM、MRAM、FRAM、ReRAM存储器，以及DNA存储、Racetrack内存等诸多新兴技术。同时，存内计算(存算一体)也正在成为解决当前存储挑战的热门趋势之一。

　　相变存储器PCM

　　相变存储器，Phase-change RAM，简称PCM或PCRAM。

　　PCM的原理是通过改变温度，让相变材料在低电阻结晶(导电)状态与高电阻非结晶(非导电)状态间转换。

　　PCM原理图(图源：Intel)

　　PCM技术特点：

　　低延时、读写时间均衡：PCM在写入更新代码之前不需要擦除以前的代码或数据，所以PCM读写速度比NAND Flash有所提高，读写时间较为均衡。

　　寿命长：PCM读写是非破坏性的，故其耐写能力远超过闪存，用PCM来取代传统机械硬盘的可靠性更高。

　　功耗低：PCM没有机械转动装置，保存代码或数据也不需要刷新电流，故PCM的功耗比HDD、NAND、DRAM都低。

　　密度高：部分PCM采用非晶体管设计，可实现高密度存储。

　　抗辐照特性好：PCM存储技术与材料带电粒子状态无关，故其具有很强的抗空间辐射能力，能满足国防和航天的需求。

　　虽然PCM有诸多优势，但其RESET后的冷却过程需要高热导率，会带来更高功耗，且由于其存储原理是利用温度实现相变材料的阻值变化，所以对温度十分敏感，无法用在宽温场景。其次，为了使相变材料兼容CMOS工艺，PCM必须采取多层结构，因此存储密度过低，在容量上无法替代NAND Flash。除此之外，成本和良率也是瓶颈之一。

　　大家都比较熟悉的Intel和Micron合作开发的3D XPoint技术，就是PCM的一种。

　　3D Xpoint技术在非易失存储器领域实现了革命性突破，虽然其速度略微比DRAM慢，但其容量却比DRAM高，比闪存快1000倍。但缺点也较为明显，3D Xpoint采用堆迭结构，一般是两层结构。因为堆迭层数越多，需要的掩模就越多，而在整个IC制造工业中，掩模板成本占比*。因此，从制造的角度来说，要想实现几十层的3D堆迭结构非常困难。

　　随着英特尔傲腾内存业务的关闭，3D XPoint内存技术也走到了尽头。

　　磁性存储器MRAM

　　磁性存储器，Magnetic RAM，简称MRAM，是一种基于隧穿磁阻效应的技术。

　　目前主流的MRAM技术是STT MRAM，使用隧道层的“巨磁阻效应”来读取位单元，当该层两侧的磁性方向一致时为低电阻，当磁性方向相反时，电阻会变得很高。

　　MRAM原理图

　　MRAM技术特点：

　　非易失：铁磁体的磁性不会由于断电而消失，故MRAM具备非易失性。

　　读写次数无限：铁磁体的磁性不仅断电不会消失，而是几乎可以认为永不消失，故MRAM和DRAM一样可以无限次重写。

　　写入速度快、功耗低：MRAM的写入时间可低至2.3ns，并且功耗极低，可实现瞬间开关机并能延长便携机的电池使用时间。

　　和逻辑芯片整合度高：MRAM的单元可以方便地嵌入到逻辑电路芯片中，只需在后端的金属化过程增加一两步需要光刻掩模版的工艺即可。再加上MRAM单元可以完全制作在芯片的金属层中，甚至可以实现2-3层单元叠放，故具备在逻辑电路上构造大规模内存阵列的潜力。

　　MRAM性能较好，但临界电流密度和功耗仍需进一步降低。目前MRAM的存储单元尺寸仍较大且不支持堆叠，工艺较为复杂，大规模制造难以保证均一性，存储容量和良率爬坡缓慢。在工艺取得进一步突破之前，MRAM产品主要适用于容量要求低的特殊应用领域，以及新兴的IoT嵌入式存储领域。

　　阻变存储器ReRAM

　　阻变存储器，全称为电阻式随机存取存储器，Resistive Random Access Memory，简称为ReRAM或RRAM。

　　ReRAM是以非导性材料的电阻在外加电场作用下，在高阻态和低阻态之间实现可逆转换为基础的非易失性存储器。作为结构最简单的存储技术，ReRAM结构看上去像一个三明治，绝缘介质层(阻变层)被夹在两层金属之间，形成由上、下电极和阻变层构成金属-介质层-金属(MIM)三层结构。

　　导电细丝在阻变层中呈现导通或断开两种状态：非易失性的低阻态或高阻态，从而实现了“0”，“1”状态的区分和存储。

　　ReRAM包括许多不同的技术类别，目前主流的技术路线主要有：氧空缺存储器OxRAM、导电桥存储器 CBRAM、金属离子存储器MeRAM以及纳米碳管CaRAM，通常是通过将金属离子或氧空位等导电元素移动到桥中，或者通过将它们从现有桥中移除，来表示1或者0。

　　ReRAM技术特点：

　　高速度：ReRAM擦写速度由触发电阻转变的脉冲宽度决定，一般小于100ns。

　　耐久性：ReRAM读写和NAND不同，采用的是可逆无损害模式，从而可以大大提高其使用寿命。

　　具备多位存储能力：部分ReRAM材料还具备多种电阻状态，使得单个存储单元存储多位数据成为可能，从而提高存储密度。

　　ReRAM可以将DRAM的读写速度与SSD的非易失性结合于一身，拥有上述多个优势，多用于神经拟态计算领域，基于ReRAM的类脑计算还能在中长期突破冯·诺伊曼计算架构瓶颈，它支持多种不同的AI算法，还具有算力高、功耗低等特点。

　　从密度、能效比、成本、工艺制程和良率各方面综合衡量，ReRAM存储器在目前已有的新型存储器中具备明显优势。此外，ReRAM的材料需求种类和额外的光罩数量更少，可以实现更低的生产成本。同时，业界普遍认为ReRAM能够充分满足神经形态计算和边缘计算等应用对能耗、性能和存储密度的要求，预期将在AIoT、智能汽车、数据中心、AI计算等领域获得广泛的运用，被认为是实现存算一体的*选择之一。

　　但ReRAM器件还并不完全成熟，它仍有器件非理想性、基于高精度模数转换器的读出电路，以及ReRAM设备中非线性的以及不对称电导更新后会严重降低训练的准确度等构成的问题。

　　铁电存储器FRAM

　　铁电存储器，简称FRAM或FeRAM，FRAM采用铁电晶体材料作为存储介质，利用铁电晶体材料电压与电流关系具有特征滞后回路的特点来实现信息存储。

　　FRAM结构图

　　FRAM技术特点：

　　非易失性：断电后数据不会丢失，是非易失性存储器;

　　读写速度快：无延时写入数据，可覆盖写入;

　　寿命长：可重复读写，重复次数可达到万亿次，耐久性强，使用寿命长;

　　功耗低：待机电流低，无需后备电池，无需采用充电泵电路;

　　可靠性高：兼容CMOS工艺，工作温度范围宽，可靠性高。

　　FRAM产品将ROM的非易失性数据存储特性和RAM的无限次读写、高速读写以及低功耗等优势结合在一起。FRAM产品包括各种接口和多种密度，像工业标准的串行和并行接口，工业标准的封装类型，以及4Kbit、16Kbit、64Kbit、256Kbit和1Mbit等密度。

　　FRAM凭借诸多特性，正在成为存储器未来发展方向之一，根据新思界产业研究中心发布的《2022-2027年中国FRAM(铁电存储器)行业市场深度调研及发展前景预测报告》显示，FRAM存储密度较低，容量有限，无法完全取代DRAM与NAND Flash，但在对容量要求不高、读写速度要求高、读写频率高、使用寿命要求长的场景中拥有发展潜力。FRAM可以应用于消费电子领域，比如智能手表、智能卡以及物联网设备制造中;汽车领域，比如高级驾驶辅助系统(ADAS)制造;工业机器人领域，比如控制系统制造等领域。

　　目前主流的铁电材料主要是锆钛酸铅(PZT)和钽酸锶铋 (SBT)，但其存在疲劳退化问题，并导致对环境的污染。目前氧化铪 (HfO2) 中被发现存在铁电相，可以通过将硅 (Si) 掺杂到 HfO2中来稳定铁电相，且不会污染晶圆厂。尽管如今HfO2并未用于生产FRAM，但它具有广阔的前景，业界正在研究这一技术路线。

　　主流存储技术与新型存储技术对比

　　新型内存技术已经出现几十年，如今发展到一个在更多应用中表现更重要的关键期。通过上述各种存储技术对比能看到，新型存储器优势明显，具备*性能，延迟堪比内存，而且具备超长寿命及可靠性，耐高温等特性。

　　由于未来的制程微缩和规模经济提升将促使价格降低，并开始将新兴内存作为独立芯片以及嵌入于ASIC、微控制器(MCU)以及甚至运算处理器中，从而使其变得比现有的内存技术更具竞争力。

　　同时，新型存储的发展也推动了存算一体技术的创新和迭代。

　　存算一体迎来突破？

　　在冯·诺伊曼架构之下，存储单元和计算单元独立分开，搬移数据的过程需要消耗大量时间和能量，并且由于处理器和存储器的工艺路线不同，存储器的数据访问速度难以跟上CPU的数据处理速度，性能已远远落后于处理器。所以，冯诺依曼架构在数据处理速度和能效比等方面存在天然限制，这被称为“存储墙”。

　　存算一体架构通过将存储单元和计算单元融为一体，消除了数据访存带来的延迟和功耗，是解决存储墙问题的*方案之一，实现更高的算力和更高的能效比。

　　存算一体突破存储墙

　　(图源：云岫资本)

　　当前的存算一体技术路径中，既有使用DRAM、SRAM、NAND等传统存储器的方案，也有使用ReRAM、PCM、MRAM等新型存储器的方案。

　　前者由于存储器制造工艺和逻辑计算单元的制造工艺不同，无法实现良好的融合，目前只能实现近存计算，仍存在存储墙问题，甚至因为互连问题可能还会带来性能损失。并且，因为SRAM和DRAM是易失性存储器，需要持续供电来保存数据，仍存在功耗和可靠性的问题。

　　后者则是结合非易失性新型存储器，可以利用欧姆定律和基尔霍夫定律在阵列内完成矩阵乘法运算，而无需向芯片内移入和移出权重。新型存储器是通过阻值变化来存储数据，而存储器加载的电压等于电阻和电流的乘积，相当于每个单元可以实现一个乘法运算，再汇总相加便可以实现矩阵乘法，所以新型存储器天然具备存储和计算的属性。

　　在这种情况下，同一单元就可以完成数据存储和计算，消除了数据访存带来的延迟和功耗，是真正意义上的存算一体。

　　除了上述提到的当前较为成熟的四大新型存储之外，Racetrack内存、DNA存储等新兴技术也在不断涌现。

　　Racetrack内存

　　Racetrack内存，又称磁畴壁内存(domain-wall memory，DWM)，是一种新的内存技术，利用磁性纳米管中的原子来存储信息，每通过一个晶体管可以读出16位数据，因此其读写信息的速度比闪存快10万倍。

　　同时，Racetrack内存可以保存大量可以非常快速地访问的数据，资料储存密度比现有的闪存还高，与现有的硬盘技术接近，可以作为通用型内存(Universal memory)使用。

　　与其他内存技术相比，Racetrack内存可能具有*的密度，Racetrack 存储器与闪存一样是固态的，没有笨重的移动部件，并且是非易失性的，即使在断电后也能存储数据。

　　这些设备不仅能够在同样的空间内存储更多的信息，而且其所需的电量及产生的热量也要少得多，同时几乎不会损坏。其结果是海量的个人存储内容仅使用一块电池便可运行几个星期，而且这些内容几十年也不用担心损坏。

　　Racetrack内存仍然处于研究的初期，迄今为止，大多数关于Racetrack存储的研究都集中在2D设备上。科学家们正在探索建立3D Racetrack存储的许多不同方法。实现三维构建的赛道内存将不遵从于摩尔定律，将为开发成本更低、速度更快的设备提供新的可能性。

　　DNA存储

　　为了寻找更高效能的存储载体，研究者将目光对准到了自然界中遗传信息的载体DNA。

　　DNA存储是一种以生物大分子DNA作为信息载体的存储技术，具有容量大、密度高、能耗低和存储时间长等优点。

　　技术层面上来看，DNA存储已经被证明是可行的。

　　前不久，天津大学合成生物学团队创新了DNA存储算法，将十幅精选敦煌壁画存入DNA中，通过加速老化实验验证壁画信息在实验室常温下可保存千年，在9.4℃下可保存两万年。

　　这项技术不仅证实了DNA是可靠的存储介质，同时也使信息存储技术进入一个新时代。DNA存储技术更适用于存储重要且无需经常访问、调用的“冷数据”。“冷数据”在接近零能耗的情况下，理论上来看可保存千年以上。在未来DNA存储极有可能成为庞大冷数据存储的主要存储介质。

　　DNA存储是一个新兴的、多学科深度交叉融合的技术，近几年DNA存储的研究已经取得了一些突破。DNA 已经被研究人员用来以不同的方式管理数据，这些研究人员正在努力理解海量数据。但目前DNA存储技术的落地还存在一些技术难题，想要把实验室的样品变成市场上的产品，需要科研机构、高校、企业等通力合作。

　　写在最后

　　随着市场和技术不断发展，AI、5G、IoT和工业4.0等使得数据量呈现爆炸式增长，全新的运算需求驱动存储朝更高容量、高读写次数、更快读写速度、更低功耗方向发展。

　　如上文所述，当传统路径中延续性技术创新的弊端已经暴露出来，市场亟待能够满足新场景需求的存储器产品，新型存储迎来机会窗口。

　　然而，纵然当前主流存储技术存在很多局限和挑战，以及众多新型存储技术层出不穷，但现在说谁将胜出还为时过早，尽管新型内存技术的未来前景光明，但其仍然很难打入一些根深蒂固的技术市场。即使经济效益有所提升，新型内存也很难快速颠覆现有市场的主导地位，只是在当前的市场现状和境遇下，新型存储凭借颠覆性的技术创新路径，迎来了一次追赶传统存储技术寡头的机会。