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在数据中心和一些相关的环境中，高端系统正在努力跟上数据处理需求日益增长的步伐。
在这些系统中存在若干个瓶颈，会影响系统数据处理能力，其中有一个持续受到过度关注的因素，即存储器和存储器层级。
SRAM 是存储器系统的第一层，被集成到处理器中用作高速缓存，以实现对数据的快速访问。 紧接着的下一层是 DRAM，用作主存储器。 最后是用于存储的磁盘驱动器和基于 NAND 的固态硬盘（SSD）。
2007 年，SSD 应用到数据中心中。根据 Forward Insights 的报道，固态硬盘能够帮助减少 DRAM 和磁盘之间日益增长的延迟鸿沟，将两者之间的延迟差距缩短了 10 倍。但是随着数据的持续爆炸姓增长，当今系统中 DRAM 和 NAND 之间的延迟差距大约为 1,000 倍。
美光科技的新兴存储器产品副总裁 Jon Carter 表示：“市场现在正试图以更快的速度处理更多的数据。 “我们已经在网络、存储堆栈和软件堆栈上做出了革新，现在的瓶颈是底层内存。
事实上，多年来，业界一直在寻找一种可以解决延迟差距的新型内存类型。理论上，该技术将具有 DRAM 的性能和闪存的成本和非易失性特性。
有些人把这种内存称为存储类内存。如前所述，下一代存储器类型包括 MRAM，相变存储，ReRAM 甚至碳纳米管 RAM。
今天，这些技术中有一些已经上市发售或者进入了试制阶段。但有些却因为成本和技术因素永远无法面市。 格罗方德的 CMOS 平台业务部高级副总裁 Gregg Bartlett 说：“实验室出现了多种新兴的存储器，有的已经问世十年时间了。“新型存储器总是给出很多承诺。但问题是，你能制造他们吗？现在，它正在转变成主流技术。
那么，哪些技术最终会占上风？这里无法给出简单的答案。为了帮助原始设备制造商洞察先机，本文考察了新型存储器的状态以及未来面临的挑战。
需要：通用内存
几年前，业界希望开发一种所谓的通用内存，理论上，这是一个可以取代 DRAM、闪存和 SRAM 的单一设备。当时，通用内存有几个候选技术，正是当下正在争夺主导地位的这些技术 -MRAM、相变存储和 ReRAM。
但是，由于系统的复杂性和 I / O 需求的增加，根本就不存在一种单一的下一代存储器类型可以替代现有的存储器。而且，传统内存容量的扩展速度比之前预想的更快，催生了对下一代存储器技术的强烈需求。
然而，由于系统中不同类型存储器延迟性能的差距不断扩大，所以有空间容纳一种新的内存类型。新技术不会取代一切，但它可以在特定的应用中发挥作用，并与今天的存储器共生共存。
Coventor 首席技术官 David Fried 说：“我期望这些先进的内存能够首先在可以识别或发挥其独特优势的应用中找到一席之地。 “我也希望有几种不同的技术能成为最终的赢家，就像 SRAM、DRAM 和 NAND 共存了好几代一样。
其他人也同意这种看法。 Lam Research 的电介质蚀刻产品副总裁 Harmeet Singh 说：“物联网、自动驾驶汽车和云存储对不同类型存储器的渴求正在呈爆炸性增长。 “我们预计下一代存储器将与其他存储器共存，其中，3D NAND 是非易失性存储器的主力。
但并不是所有的公司或者所有新的内存类型都能成功。应用材料公司硅系统事业部存储器和材料部门总经理 Er-Xuan Ping 说：“这些技术只有一定的生存空间。”
根据 Ping 的说法，下一代存储器类型 3D XPoint 可以在某些应用中找到用武之地。 “其他的内存类型有机会，但它们需要加快步伐赶上来，”他说。
而在短期内，下一代技术不太可能取代现有的内存。 “今天的内存已经在经济性方面进行了高度优化。 从功能的单位成本而言，DRAM 很便宜。 NAND 也是，“他说。 “现在的新内存要靠成本优势取代那些现有的产品是非常困难的。
3D XPoint 和 Z-SSD
现在有几种方法可以降低系统中存储器系统的延迟差距。一种方法是使用下一代 NAND 和 / 或新的存储器类型来开发更快的 SSD。
今天，SSD 使用平面和 3D NAND。到了十几纳米节点后，平面 NAND 就后继乏力了，从而需要一种替代性的技术。该替代性技术就是 3D NAND，它的结构类似于垂直摩天大楼，水平层堆叠放置，然后使用微小的垂直通道将它们连接在一起。
SSD 已经应用到了 PC 中，但真正的动静发生在企业应用中，SSD 正在取代传统的磁盘驱动器。现在，高端服务器的磁盘驱动器的旋转速度高达 10,000 和 15,000 RPM。
三星半导体 NAND 产品营销总监 Ryan Smith 说：“一般来讲，NAND 闪存价格会逐年持续下降。 “现在，它的价格已经变得有足够的吸引力，SSD 可以迅速取代转速为 10K 和 15K RPM 的磁盘驱动器。
一般来说，NAND 有一些问题。基本上，NAND 器件必须被编程。数据被写入设备中的一个小块。通常，可以检索和读取数据，但不能在块中更新。要更新它，必须擦除并重写该块。
有时，这个过程太慢了，至少对于一些高端应用，根据专家。因此，市场已经成熟了一种新的内存技术，可以帮助加快系统。
一般来说，NAND 存在一些问题，主要是 NAND 器件必须进行编程操作。数据被写入到设备中的一个小块里，通常可以进行检索和读取，但不能在块中更新。要更新它，必须擦除并重写该块。
根据专家说法，这个过程有时显得太慢了，至少对于一些高端应用而言就是如此。因此，一种可以帮助加快系统的新型内存技术的市场已经准备就绪了。
能满足这种市场需求的备选技术有好几个，如 3D XPoint、ReRAM 和现在的 Z-SSD。由英特尔和美光共同开发的 3D XPoint 的速度提高了 1000 倍，耐用性比 NAND 高出 1000 倍，是传统内存的 10 倍。
3D XPoint 填补了 NAND 和 DRAM 之间的延迟差距。英特尔将在企业 SSD 和服务器的 DIMM 中集成 3D XPoint 器件。同时，美光也将把这种器件应用到企业级 SSD 中。“3D XPoint 是一个适合企业级应用的产品，”美光科技的 Carter 说。“你会在高端 SSD 领域看到它，它将用于驱动任务关键型的工作负载。
3D XPoint 面临一些挑战。首先，英特尔和美光需要为该技术开发一个全新的生态系统，比如控制器。然后，英特尔和美光需要降低 3D XPoint 的成本，但这不会在一夜之间发生。Objective Analysis 的分析师 Jim Handy 说：“我认为，在它出现后的头几年，应该是一个亏损的业务。“如果它的定价不低于 DRAM，那么它在内存层次结构中不会有任何意义。
3D XPoint 究竟是什么？到目前为止，英特尔和美光还没有公开该技术的许多细节。
最初的 3D XPoint 器件将达到 128 吉比特的密度。首代产品将包括两个堆叠层，由垂直导体进行连接。导体具有单独的开关元件和存储器单元。每个存储器单元存储单个位的数据。
3D XPoint 采用的是 19nm 工艺，这是由 4DS 公司内存专家和首席技术官 Seshubabu Desu 经过各种计算得出的，4DS 是一家 ReRAM 初创公司。Desu 最近做了一个演讲，在那里他分享了对于新的内存类型的见解。
“（Intel 和美光都坚持认为 3D XPoint 不是相变存储器，”Desu 说。“他们说开关或选择器是一个双向阈值开关。这是一种基于硫族化合物的材料。
双向开关、双端设备，容易让人联想到相变存储器，它有时也被称为 PCM。PCM 在非晶相和结晶相中存储信息。它可以利用外部电压进行可逆切换。
总之，3D XPoint 结合了相变存储器和 ReRAM 的特性。“（3D XPoint）具有 PCM 的风格，”Desu 说。
根据专家看法，3D XPoint 特征尺寸可以从 19nm 缩减到到 15nm，但是将其推到 10nm 及以上仍然颇具有挑战性。“如果你使用当前的光刻技术，你可以得到的最大密度大约是 4 或 6 层堆叠。容量为 512 吉比特，“Desu 说。
同时，为了回应 3D XPoint，三星最近推出了一种名为 Z-SSD 的新技术。Z-SSD 基于 NAND 技术，目标应用是高端企业 SSD。Z-SSD 采用了新的电路设计和控制器，实现了比现有高端 SSD 低 4 倍的延迟和 1.6 倍的顺序读取。
三星正在实验室中探索各种下一代存储器类型，但该公司表示，为高端应用开发新的更快的 NAND 版本更有意义。“我们选择基于 NAND 的技术的原因是因为它是一种成熟的技术，”三星的史密斯说。“我们想选择已经进入生产阶段而且具备效率的技术，换句话说，它具有市场需要的成本结构。
不过，三星还没有公布 Z-SSD 背后的细节。“Z-SSD 是三星对 3D XPoint 的反击，”Web-Feet 研究公司总裁 Alan Niebel 说。“Z-SSD 使用了 V-NAND（3D NAND）的一种形式，这可能是具有较短位线的 TLC，使其成为低延迟 NAND。
嵌入式内存之战
根据 Niebel 的说法，三星同时正在研究其他内存类型。“他们会首先出货（Z-SSD），”他说。“随后，当生态环境基础设施准备就绪之后，他们将引入 MRAM 和 ReRAM。
其他公司也在研究 ReRAM，这项技术据称是 3D NAND 的继任者。ReRAM 是非易失性的，并且基于在两个稳定的电阻状态之间切换的电阻器元件材料。ReRAM 提供了比当今闪存更耐用的写入时间。
ReRAM 技术的开发难度很大。此外，3D NAND 的性能表现可能进一步超出之前的预期，从而延后了 ReRAM 作为 NAND 的可能替代品的需求。
ReRAM 和其他下一代存储器类型正在进入嵌入式市场。今天，嵌入式市场被传统闪存所主导。嵌入式闪存广泛应用于微控制器（MCU）和其他设备中。
嵌入式闪存的主流市场是 40 纳米及以上工艺的产品，不过该行业已经开始向更小的几何尺寸转移。UMC 的业务管理副总裁 Walter Ng 说：“开发方面的重点是 28nm。“
还有其他一些变化。“有一组客户在 MCU 上使用非易失性存储器。他们必须在特定的时间上市。一般来说，我们正在与那些客户推动更传统的解决方案。但他们也对其他一些更独特的解决方案感兴趣“，Ng 说。
对于嵌入式应用，新的解决方案包括 ReRAM、MRAM 和碳纳米管 RAM。2013 年，松下发布了世界上第一个用于嵌入式应用的 ReRAM。它集成了一个 180nm 的 ReRAM 器件和一个 8 位控制器。
最近，Adesto 提供了一种基于 ReRAM 的技术，称为导电桥接 RAM（CBRAM）。针对 EEPROM 替代市场，Adesto 最新的 CBRAM 比同类存储器产品功耗低 50 至 100 倍。
另一家公司 Crossbar 也将很快为嵌入式市场提供 8 兆位的 ReRAM。基于 40nm 工艺，Crossbar 的 ReRAM 基于 1T1R（一个晶体管 / 一个电阻）技术。
Crossbar 的营销和业务开发副总裁 Sylvain Dubois 说：“嵌入式 ReRAM 比现有闪存技术更快，功耗更低。“这是一个可改变单个比特位的内存。要更新存储内容时，你不必擦除一个完整的块，并编程一个完整的页面来更新它。
Crossbar 的下一个芯片是基于 28nm 的 1 吉比特 ReRAM。Crossbar 的首席执行官 George Minassian 表示：“它可能适用于高密度嵌入式应用和独立应用。“它会打击 NOR 的生存空间。
然后，在另一个开发案中，富士通最近获得了 Nantero 的 NRAM 授权，这是一种基于碳纳米管的非易失性 RAM。NRAM 声称要比 DRAM 和非易失性闪存更快，而功耗基本上为零。
今天，业界一边在继续开发传统的嵌入式闪存，同时也在开发下一代技术。那么下一代存储器类型会取代传统的嵌入式闪存吗？“我不相信，也没有任何人感觉到这种转换会在一夜之间发生，我们将从一些传统的解决方案过渡到一些新的解决方案上，”UMC 的 Ng 说。
MRAM 怎么样？
同时，一种被称为自旋转移力矩 MRAM（STT-MRAM）的第二代 MRAM 技术正在蓄势。MRAM 使用电子自旋的磁性来提供非易失性。MRAM 同时具备 SRAM 的速度和闪存的非易失性，具有无限长的耐用时间。
有几家公司正在开发 STT-MRAM，不过 Everspin 现在仍然是唯一的供应商。Everspin 将自家的技术称为 ST-MRAM。Everspin 最新的 ST-MRAM 是一个具有 DDR-3 接口的 256 兆位器件。它使用的是其代工合作伙伴 GlobalFoundries 的 40nm 工艺。
Everspin 的新器件可以解决一个重大问题。简单来说，SSD 使用基于 DRAM 的缓冲区来帮助加速系统。但是，如果系统断电，数据就面临丢失的风险。为了解决电力丢失问题，SSD 将并入电容器，但这会增加系统的成本。
为了解决这个问题，ST-MRAM 可以被合并到 SSD 中的写缓冲器插槽中。ST-MRAM 是一种永久性的非易失性存储器。“然后，你就不需要这些电容器了，”Everspin 的产品营销主管 Joe O'Hare 说。
Everspin 还开发了一个 1 吉比特大小的 ST-MRAM，基于 GlobalFoundries 的 28nm 工艺。与此同时，GlobalFoundries 正在开发 Everspin 的 ST-MRAM 技术的嵌入式版本 eMRAM。
最初，GlobalFoundries 将在其 22nm FD-SOI 平台上提供 eMRAM 技术。“我们将同时实现代码存储和工作数据存储，”GlobalFoundries 的 Bartlett 说。“我们最终将能够做出非常大的 L3 缓存阵列，占用空间小于 6T STRAM。
可以肯定，MRAM 有几个目标应用。从事 STT-MRAM 技术开发的 Spin Transfer Technologies 公司的首席执行官 Barry Hoberman 说：“STT-MRAM 有几个清晰可见、产量巨大且唾手可得的应用机会。“我看到存储、移动、汽车和物联网领域存在着巨大机会。STT-MRAM 非常适合单机和嵌入式应用。
“从长远来看，我认为 MRAM 位单元将变得比 DRAM 电容器单元更小和更便宜。但是在这种情况发生之前，DRAM 将继续在超低成本和高密度至关重要、而且非易失性、低功耗和瞬间上电“不那么重要”的应用中占有一席之地，Hoberman 说。“到 DRAM 优势丧失之后，STT-MRAM 将成为一个非常好的候选技术，以在速度、刷新功率和刷新占空比对系统设计师而言是个负担的场合替代 DRAM。
那么 STT-MRAM 会取代 DRAM 吗？近期肯定不会。首先，可以采用最便宜的替代方案简单地重新配置或延长现有 DRAM 技术的寿命。
Marvell 的方法是通过添加最终级缓存，根据需要自动加载代码和清除不需要的代码，以提高 DRAM 的功能。 Marvell 技术营销总监 Sheng Huang 表示：“这种技术可以把缓存率优化提高到高达 99％。“通过利用一个算法，使我们能够设计一个更小的查找表。
Rambus 同样试图通过改变基本数据结构来更多地发挥 DRAM 的潜力。Rambus 解决方案营销副总裁 Steven Woo 说：“瓶颈在于数据移动。“我们需要考虑如何解决更多的现代瓶颈。
尽管如此，现在已经有很多下一代内存类型了，而且未来还有更多的内存类型。最终，时间将会告诉我们哪些内存类型占优，哪些不会。
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