后閃存時(shí)代：有必要說(shuō)說(shuō)的三個(gè)演進(jìn)方向

閃存時(shí)代預(yù)期將在2020年走向終結(jié)，包括電阻式與電子自旋式等存儲(chǔ)的最新技術(shù)蓄勢(shì)待發(fā)，未來(lái)引領(lǐng)其性能更高，速度更快且具有動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)式定址能力的新閃存，未來(lái)將對(duì)現(xiàn)有閃存技術(shù)全面接盤，由于這些技術(shù)的顛覆性我們把他們的未來(lái)稱作“后閃存時(shí)代”（Post_NAND）。

 

一些人會(huì)問(wèn)，這些新技術(shù)中的一種通用的存儲(chǔ)技術(shù)真的能聯(lián)接動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器和非易失性存儲(chǔ)器嗎?

 

現(xiàn)在聽來(lái)似乎有點(diǎn)不靠譜，只要找一個(gè)NAND的替代品好像就成了。

 

目前主要有IBM和HP在做后閃存理論研究并且有所突破。其他的比如三星，東芝和美光，他們更感興趣的是延長(zhǎng)NAND的壽命以及他們對(duì)NAND制程的投資，而不是找別的產(chǎn)品取代閃存。

 

但無(wú)論如何，他們沒(méi)法視而不見。美光研發(fā)出了相變存儲(chǔ)器，近來(lái)已經(jīng)投入生產(chǎn)，東芝已經(jīng)在研發(fā)自旋轉(zhuǎn)移力矩隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，而三星也開始涉獵自旋轉(zhuǎn)移力矩隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。

 

NAND閃存是一種奇特的技術(shù)，它具有非易失性，就像磁帶和磁盤，但又不是字節(jié)編址。與它們不同，它每次都要寫入字節(jié)塊。每個(gè)字節(jié)又要分入一個(gè)單元。

 

因而在新數(shù)據(jù)寫入之前也不得不成塊清空或刪除。這就意味著一個(gè)寫循環(huán)包含兩個(gè)過(guò)程。讀取是一個(gè)單過(guò)程。

 

在NAND半導(dǎo)體技術(shù)結(jié)束它的過(guò)程收尾時(shí)，單元在10納米以下變得越來(lái)越易錯(cuò)，壽命也越來(lái)越短，另一個(gè)post-NAND技術(shù)正在被審查，看看它們是否可以在需要時(shí)傳遞增強(qiáng)的密度(容量)，而不連帶NAND的缺點(diǎn)。

 

用戶會(huì)一直追求大容量和高速度，那時(shí)就會(huì)需要post-NAND技術(shù)。兩三年前人們認(rèn)為Post-NAND的未來(lái)很快就要到了，但是TLC和3D NAND技術(shù)又將NAND時(shí)代的終結(jié)向后推遲到了2020年。

 

研發(fā)工程師集中研究字節(jié)編址和非易失性的技術(shù)，當(dāng)然也比NAND存取更快，使它們?cè)诙ㄖ纺芰退俣壬系谋憩F(xiàn)更接近動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。

 

為了改變存儲(chǔ)器的易失性，數(shù)據(jù)就需要一個(gè)分離的固定存儲(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施(閃存，磁盤和磁帶)，這樣一來(lái)存儲(chǔ)器就成了非易失性的。這也就意味著深層系統(tǒng)軟件必須做出改變才能使系統(tǒng)充分使用這個(gè)“存儲(chǔ)內(nèi)存”。

 

后閃存時(shí)代有三個(gè)主要的發(fā)展方向：相變存儲(chǔ)器，電阻式隨機(jī)存儲(chǔ)器以及自旋轉(zhuǎn)移力矩隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。

PCM：相變存儲(chǔ)

 

相變存儲(chǔ)器包括利用電力來(lái)改變硫系玻璃材質(zhì)，由多晶變成非晶狀態(tài)，改變了它的電阻。

 

電流應(yīng)用到元器件加熱，如果它迅速冷卻那么硫化物會(huì)變?yōu)槎嗑ЫY(jié)構(gòu)，耗熱量較慢也就意味著它有高電阻非晶|體結(jié)構(gòu)。

 

隨著IBM制成了PCM/NAND混合卡，美光和IBM全都參與了相變存儲(chǔ)器的研究。HGST演示了如圖所示的一個(gè)可以傳送3百萬(wàn) IOPS和延期讀取1.5微秒的相變存儲(chǔ)產(chǎn)品。

 

 

 

 

PCM制造商美光表示相變存儲(chǔ)器是目前正在投資的少數(shù)幾個(gè)新興存儲(chǔ)技術(shù)之一。2012年P(guān)CM產(chǎn)品海運(yùn)至諾基亞公司用于Asha智能手機(jī)制作。芯片內(nèi)存1Gb，45納米制程，寫入超過(guò)100，000次。

 

然而此后很多事都發(fā)生了變化，尤其是NAND前景與TLC和3D概念上。最終，美光因?yàn)檠邪l(fā)了一個(gè)低成本，低功率，高性能的新制程而從市場(chǎng)上撤出了他們的PCM產(chǎn)品。

 

憶阻器

 

2008年，惠普公布了對(duì)憶阻器的物理實(shí)現(xiàn)，并將其定位為與電容器，電阻器和電感器并列的第四個(gè)基本元件。

 

憶阻器單元由兩層二氧化鈦半導(dǎo)體薄膜構(gòu)成。其中只有第一層有微小的氧空位，并且可以導(dǎo)電。另一層則是電阻非常非常高。

 

氧空位可以通過(guò)電壓傳導(dǎo)從這一層移動(dòng)到另一層，而他們停留和移動(dòng)憶阻器電阻的位置，給我們?cè)O(shè)置了一個(gè)開關(guān)功能。

 

這個(gè)技術(shù)與 不同，在某些領(lǐng)域也視為才生產(chǎn)兩年的產(chǎn)品，但它和擁有全新的操作系統(tǒng)和特芯片的硅光子相同，是惠普“機(jī)器”研發(fā)的眾多支柱之一。

 

幾個(gè)產(chǎn)品相結(jié)合降低了其各自給存儲(chǔ)區(qū)的帶來(lái)的，憶阻器技術(shù)可能會(huì)有的特殊影響。

 

首先，惠普把它的憶阻器當(dāng)做一項(xiàng)專利技術(shù)在自己的專有硬件上使用。據(jù)我們所知，主要的閃存制造運(yùn)營(yíng)商也都沒(méi)有參與憶阻器開發(fā)。 Hynix,一家二線制造運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)參與進(jìn)來(lái)了。

 

第三，人們普遍把憶阻器看成一個(gè)電阻式隨機(jī)存儲(chǔ)器變體，而不是一個(gè)天差地異的非易失性存儲(chǔ)器變體。

電阻式隨機(jī)存儲(chǔ)器

 

與PCM,PRAM類似利用不同阻力水平來(lái)傳送二進(jìn)制0，1的信號(hào)，但沒(méi)有改變相變?cè)臓顟B(tài)。IBM和Crocus 曾合作開發(fā)過(guò)磁電阻存儲(chǔ)器。Unity Semiconductor有CMOx技術(shù)。第三家參與研發(fā)的公司是Crossbar。

 

Crossbar擁有3D RRAM技術(shù)，并認(rèn)為可以搭建1TB的芯片。它的第一個(gè)單機(jī)RRAM芯片將到每晶1Tb，這就需要有十萬(wàn)寫入次數(shù)。

 

據(jù)悉它將為嵌入式市場(chǎng)帶來(lái)字節(jié)尋址，為存儲(chǔ)市場(chǎng)帶來(lái)1KB的頁(yè)面尋址。Crossbar透露它的制程能突破16納米，接近NAND的極限。該技術(shù)基于一個(gè)不定形硅交換層，靠的是金屬原子運(yùn)動(dòng)原理。Crossbar的架構(gòu)被描述成1TnR,就是一個(gè)單晶|體管驅(qū)動(dòng)n個(gè)電阻式存儲(chǔ)元件。

 

Crossbar表示這將帶來(lái)高容量的固態(tài)存儲(chǔ)。

 

Crossbar RRAM
 

 

相比之下，PCM的一個(gè)晶|體管驅(qū)動(dòng)一個(gè)單元件的1T1R架構(gòu)，按照Crossbar的說(shuō)法來(lái)看，則意味著較低密度。

 

憶阻器利用了氧空位現(xiàn)象，而氧空位要求貴金屬電極，如鉑。該公司指出這些都很難并入一個(gè)生產(chǎn)程序中，并堅(jiān)稱金屬離子比氧空位更好控制。

它又補(bǔ)充說(shuō)憶阻器技術(shù)必須要有一個(gè)復(fù)雜的非化學(xué)計(jì)量氧化物來(lái)代替氧空位，很難復(fù)制。而他本身的非晶硅不需要嚴(yán)密的化學(xué)計(jì)量控制并且很容易復(fù)制。

 

Crossbar也將與一家制造運(yùn)營(yíng)商合作批量生產(chǎn)RRAM芯片，也就是說(shuō)主要的存儲(chǔ)器或閃存運(yùn)營(yíng)制造商都還沒(méi)有決定跟風(fēng)RRAM技術(shù)。

 

旋轉(zhuǎn)移力矩磁阻存儲(chǔ)器(STT-RAM)

 

這是第三個(gè)大眾認(rèn)可的后閃存技術(shù)，三星和東芝已經(jīng)積極活躍在該領(lǐng)域。

 

通常電流不能自旋極化，就像是把電子一半分成上自旋，一半分成下自旋一樣。這種現(xiàn)狀在通過(guò)一個(gè)厚磁性層分流后改變了，它的上自旋電子變得比下自旋電子多，反之亦然。

 

接近自旋極化的電流自旋方向從代表二進(jìn)制0，1的磁力方向移向磁元件。

 

自旋轉(zhuǎn)移技術(shù)，一個(gè)工作在該領(lǐng)域的公司叫MRAM。從2012年2月拿到0.36億美元初始資金，2014年10月，又增加了0.77億美金，兩輪投資總額就達(dá)到了1.06億美元。

 

2011年，三星吞并了一個(gè)叫做Gradis技術(shù)研發(fā)公司后也介入了STT-RAM研究。

現(xiàn)狀

 

此時(shí)顯然還沒(méi)有主要的閃存制造商只支持一種后閃存時(shí)代技術(shù)，在El Reg看來(lái)有兩個(gè)原因。

 

首先，沒(méi)有明顯的高端技術(shù)出現(xiàn)，PCM，RRAM，STT-RAM大致處于平等地位，在一些像Crossbar 和Spin-Transfer科技的企業(yè)把精力集中在他們自己的研究上時(shí)，閃存運(yùn)營(yíng)制造商把post-nand技術(shù)放在了次要位置。

 

他們通過(guò)3D和TLC來(lái)提高NAND閃存密度，通過(guò)使用NVMe甚至flashDIMM接口來(lái)降低延遲。在接近2020年之前他們并不急于開發(fā)其他任何的產(chǎn)品。

 

該領(lǐng)域備受推崇的咨詢顧問(wèn)Jim Handy客觀分析說(shuō)，“我預(yù)計(jì)2023年RRAM或者其它極具競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)將會(huì)取代閃存和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)，如今根深蒂固的技術(shù)還會(huì)跟隨我們一段時(shí)間。

 

在那之前，其他所有想要取代DRAM和閃存的技術(shù)都不會(huì)是主流。

 

后閃存技術(shù)公司小眾并且資金不足。

 

到那時(shí)，閃存芯片會(huì)不斷升級(jí)，加一層一層的cells來(lái)增大容量，需要時(shí)用TLC提供一個(gè)額外的彈性容量。

 

現(xiàn)在任何系統(tǒng)軟件通常都不用考慮后閃存時(shí)代存儲(chǔ)器，研發(fā)公司可以慢慢來(lái)。