存儲器是半導(dǎo)體的重要市場之一，其約占據(jù)了半導(dǎo)體近1/3的市場份額。其中，從存儲芯片細(xì)分產(chǎn)品來看，DRAM和NAND Flash占據(jù)了存儲芯片95%以上的市場份額，NOR閃存占比1%，其他存儲芯片份額較小。
DRAM讀寫速度快，斷電后數(shù)據(jù)無法保存，長期以來一直是計算機、手機內(nèi)存的主流方案。計算機的內(nèi)存條(DDR)、顯卡的顯存(GDDR)、手機的運行內(nèi)存(LPDDR)，都是DRAM的一種;NAND Flash屬于數(shù)據(jù)型閃存芯片，可以實現(xiàn)大容量存儲，且斷電后數(shù)據(jù)不會丟失，但讀寫速度較慢，被廣泛用于eMMC/EMCP、U盤、SSD等市場。
回顧存儲器的發(fā)展歷程來看，其技術(shù)演進(jìn)路線主要取決于應(yīng)用場景的變化。
上世紀(jì)70年代起，DRAM進(jìn)入商用市場，并以其極高的讀寫速度成為存儲領(lǐng)域*分支市場;功能手機出現(xiàn)后，迎來NOR Flash市場的爆發(fā);進(jìn)入PC時代，人們對于存儲容量的需求越來越大，低成本、高容量的NAND Flash成為*選擇。
如今，隨著萬物智聯(lián)時代的到來，5G、人工智能、智能汽車等新興應(yīng)用場景對數(shù)據(jù)存儲在速度、功耗、容量、可靠性等層面提出了更高要求。DRAM雖然速度快，但功耗大、容量低、成本高，且斷電無法保存數(shù)據(jù)，使用場景受限;NOR Flash和NAND Flash讀寫速度低，存儲密度受限于工藝制程。
當(dāng)傳統(tǒng)路徑中延續(xù)性技術(shù)創(chuàng)新的弊端已經(jīng)暴露出來，市場亟待能夠滿足新場景需求的存儲器產(chǎn)品，新型存儲迎來機會窗口。
與此同時，今年存儲市場逐漸遇冷，價格連續(xù)下跌，存儲行業(yè)進(jìn)入下行周期;英特爾關(guān)閉傲騰業(yè)務(wù)空出20億高速增長的市場缺口;日益嚴(yán)重的“存儲墻”和“性能墻”問題對計算系統(tǒng)的制約以及CXL協(xié)議的推出等等因素之下，新型存儲憑借顛覆性的技術(shù)創(chuàng)新路徑，迎來趕超傳統(tǒng)存儲技術(shù)寡頭的一次機會。
據(jù)Objective Analysis和Coughlin Associates發(fā)布的報告顯示，新型存儲器已經(jīng)開始增長，預(yù)計到2032年市場規(guī)模將會攀升至440億美元，迎來廣闊的市場空間。
新型存儲知多少？
目前，新型存儲器主要有PCM、MRAM、FRAM、ReRAM存儲器，以及DNA存儲、Racetrack內(nèi)存等諸多新興技術(shù)。同時，存內(nèi)計算(存算一體)也正在成為解決當(dāng)前存儲挑戰(zhàn)的熱門趨勢之一。
相變存儲器PCM
相變存儲器，Phase-change RAM，簡稱PCM或PCRAM。
PCM的原理是通過改變溫度，讓相變材料在低電阻結(jié)晶(導(dǎo)電)狀態(tài)與高電阻非結(jié)晶(非導(dǎo)電)狀態(tài)間轉(zhuǎn)換。
PCM原理圖(圖源：Intel)
PCM技術(shù)特點：
低延時、讀寫時間均衡：PCM在寫入更新代碼之前不需要擦除以前的代碼或數(shù)據(jù)，所以PCM讀寫速度比NAND Flash有所提高，讀寫時間較為均衡。
壽命長：PCM讀寫是非破壞性的，故其耐寫能力遠(yuǎn)超過閃存，用PCM來取代傳統(tǒng)機械硬盤的可靠性更高。
功耗低：PCM沒有機械轉(zhuǎn)動裝置，保存代碼或數(shù)據(jù)也不需要刷新電流，故PCM的功耗比HDD、NAND、DRAM都低。
密度高：部分PCM采用非晶體管設(shè)計，可實現(xiàn)高密度存儲。
抗輻照特性好：PCM存儲技術(shù)與材料帶電粒子狀態(tài)無關(guān)，故其具有很強的抗空間輻射能力，能滿足國防和航天的需求。
雖然PCM有諸多優(yōu)勢，但其RESET后的冷卻過程需要高熱導(dǎo)率，會帶來更高功耗，且由于其存儲原理是利用溫度實現(xiàn)相變材料的阻值變化，所以對溫度十分敏感，無法用在寬溫場景。其次，為了使相變材料兼容CMOS工藝，PCM必須采取多層結(jié)構(gòu)，因此存儲密度過低，在容量上無法替代NAND Flash。除此之外，成本和良率也是瓶頸之一。
大家都比較熟悉的Intel和Micron合作開發(fā)的3D XPoint技術(shù)，就是PCM的一種。
3D Xpoint技術(shù)在非易失存儲器領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了革命性突破，雖然其速度略微比DRAM慢，但其容量卻比DRAM高，比閃存快1000倍。但缺點也較為明顯，3D Xpoint采用堆迭結(jié)構(gòu)，一般是兩層結(jié)構(gòu)。因為堆迭層數(shù)越多，需要的掩模就越多，而在整個IC制造工業(yè)中，掩模板成本占比*。因此，從制造的角度來說，要想實現(xiàn)幾十層的3D堆迭結(jié)構(gòu)非常困難。
隨著英特爾傲騰內(nèi)存業(yè)務(wù)的關(guān)閉，3D XPoint內(nèi)存技術(shù)也走到了盡頭。
磁性存儲器MRAM
磁性存儲器，Magnetic RAM，簡稱MRAM，是一種基于隧穿磁阻效應(yīng)的技術(shù)。
目前主流的MRAM技術(shù)是STT MRAM，使用隧道層的“巨磁阻效應(yīng)”來讀取位單元，當(dāng)該層兩側(cè)的磁性方向一致時為低電阻，當(dāng)磁性方向相反時，電阻會變得很高。
MRAM原理圖
MRAM技術(shù)特點：
非易失：鐵磁體的磁性不會由于斷電而消失，故MRAM具備非易失性。
讀寫次數(shù)無限：鐵磁體的磁性不僅斷電不會消失，而是幾乎可以認(rèn)為永不消失，故MRAM和DRAM一樣可以無限次重寫。
寫入速度快、功耗低：MRAM的寫入時間可低至2.3ns，并且功耗極低，可實現(xiàn)瞬間開關(guān)機并能延長便攜機的電池使用時間。
和邏輯芯片整合度高：MRAM的單元可以方便地嵌入到邏輯電路芯片中，只需在后端的金屬化過程增加一兩步需要光刻掩模版的工藝即可。再加上MRAM單元可以完全制作在芯片的金屬層中，甚至可以實現(xiàn)2-3層單元疊放，故具備在邏輯電路上構(gòu)造大規(guī)模內(nèi)存陣列的潛力。
MRAM性能較好，但臨界電流密度和功耗仍需進(jìn)一步降低。目前MRAM的存儲單元尺寸仍較大且不支持堆疊，工藝較為復(fù)雜，大規(guī)模制造難以保證均一性，存儲容量和良率爬坡緩慢。在工藝取得進(jìn)一步突破之前，MRAM產(chǎn)品主要適用于容量要求低的特殊應(yīng)用領(lǐng)域，以及新興的IoT嵌入式存儲領(lǐng)域。
阻變存儲器ReRAM
阻變存儲器，全稱為電阻式隨機存取存儲器，Resistive Random Access Memory，簡稱為ReRAM或RRAM。
ReRAM是以非導(dǎo)性材料的電阻在外加電場作用下，在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間實現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)的非易失性存儲器。作為結(jié)構(gòu)最簡單的存儲技術(shù)，ReRAM結(jié)構(gòu)看上去像一個三明治，絕緣介質(zhì)層(阻變層)被夾在兩層金屬之間，形成由上、下電極和阻變層構(gòu)成金屬-介質(zhì)層-金屬(MIM)三層結(jié)構(gòu)。
導(dǎo)電細(xì)絲在阻變層中呈現(xiàn)導(dǎo)通或斷開兩種狀態(tài)：非易失性的低阻態(tài)或高阻態(tài)，從而實現(xiàn)了“0”，“1”狀態(tài)的區(qū)分和存儲。
ReRAM包括許多不同的技術(shù)類別，目前主流的技術(shù)路線主要有：氧空缺存儲器OxRAM、導(dǎo)電橋存儲器 CBRAM、金屬離子存儲器MeRAM以及納米碳管CaRAM，通常是通過將金屬離子或氧空位等導(dǎo)電元素移動到橋中，或者通過將它們從現(xiàn)有橋中移除，來表示1或者0。
ReRAM技術(shù)特點：
高速度：ReRAM擦寫速度由觸發(fā)電阻轉(zhuǎn)變的脈沖寬度決定，一般小于100ns。
耐久性：ReRAM讀寫和NAND不同，采用的是可逆無損害模式，從而可以大大提高其使用壽命。
具備多位存儲能力：部分ReRAM材料還具備多種電阻狀態(tài)，使得單個存儲單元存儲多位數(shù)據(jù)成為可能，從而提高存儲密度。
ReRAM可以將DRAM的讀寫速度與SSD的非易失性結(jié)合于一身，擁有上述多個優(yōu)勢，多用于神經(jīng)擬態(tài)計算領(lǐng)域，基于ReRAM的類腦計算還能在中長期突破馮·諾伊曼計算架構(gòu)瓶頸，它支持多種不同的AI算法，還具有算力高、功耗低等特點。
從密度、能效比、成本、工藝制程和良率各方面綜合衡量，ReRAM存儲器在目前已有的新型存儲器中具備明顯優(yōu)勢。此外，ReRAM的材料需求種類和額外的光罩?jǐn)?shù)量更少，可以實現(xiàn)更低的生產(chǎn)成本。同時，業(yè)界普遍認(rèn)為ReRAM能夠充分滿足神經(jīng)形態(tài)計算和邊緣計算等應(yīng)用對能耗、性能和存儲密度的要求，預(yù)期將在AIoT、智能汽車、數(shù)據(jù)中心、AI計算等領(lǐng)域獲得廣泛的運用，被認(rèn)為是實現(xiàn)存算一體的*選擇之一。
但ReRAM器件還并不完全成熟，它仍有器件非理想性、基于高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器的讀出電路，以及ReRAM設(shè)備中非線性的以及不對稱電導(dǎo)更新后會嚴(yán)重降低訓(xùn)練的準(zhǔn)確度等構(gòu)成的問題。
鐵電存儲器FRAM
鐵電存儲器，簡稱FRAM或FeRAM，F(xiàn)RAM采用鐵電晶體材料作為存儲介質(zhì)，利用鐵電晶體材料電壓與電流關(guān)系具有特征滯后回路的特點來實現(xiàn)信息存儲。
FRAM結(jié)構(gòu)圖
FRAM技術(shù)特點：
非易失性：斷電后數(shù)據(jù)不會丟失，是非易失性存儲器;
讀寫速度快：無延時寫入數(shù)據(jù)，可覆蓋寫入;
壽命長：可重復(fù)讀寫，重復(fù)次數(shù)可達(dá)到萬億次，耐久性強，使用壽命長;
功耗低：待機電流低，無需后備電池，無需采用充電泵電路;
可靠性高：兼容CMOS工藝，工作溫度范圍寬，可靠性高。
FRAM產(chǎn)品將ROM的非易失性數(shù)據(jù)存儲特性和RAM的無限次讀寫、高速讀寫以及低功耗等優(yōu)勢結(jié)合在一起。FRAM產(chǎn)品包括各種接口和多種密度，像工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的串行和并行接口，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的封裝類型，以及4Kbit、16Kbit、64Kbit、256Kbit和1Mbit等密度。
FRAM憑借諸多特性，正在成為存儲器未來發(fā)展方向之一，根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2022-2027年中國FRAM(鐵電存儲器)行業(yè)市場深度調(diào)研及發(fā)展前景預(yù)測報告》顯示，F(xiàn)RAM存儲密度較低，容量有限，無法完全取代DRAM與NAND Flash，但在對容量要求不高、讀寫速度要求高、讀寫頻率高、使用壽命要求長的場景中擁有發(fā)展?jié)摿�。FRAM可以應(yīng)用于消費電子領(lǐng)域，比如智能手表、智能卡以及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造中;汽車領(lǐng)域，比如高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)制造;工業(yè)機器人領(lǐng)域，比如控制系統(tǒng)制造等領(lǐng)域。
目前主流的鐵電材料主要是鋯鈦酸鉛(PZT)和鉭酸鍶鉍 (SBT)，但其存在疲勞退化問題，并導(dǎo)致對環(huán)境的污染。目前氧化鉿 (HfO2) 中被發(fā)現(xiàn)存在鐵電相，可以通過將硅 (Si) 摻雜到 HfO2中來穩(wěn)定鐵電相，且不會污染晶圓廠。盡管如今HfO2并未用于生產(chǎn)FRAM，但它具有廣闊的前景，業(yè)界正在研究這一技術(shù)路線。
主流存儲技術(shù)與新型存儲技術(shù)對比
新型內(nèi)存技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)幾十年，如今發(fā)展到一個在更多應(yīng)用中表現(xiàn)更重要的關(guān)鍵期。通過上述各種存儲技術(shù)對比能看到，新型存儲器優(yōu)勢明顯，具備*性能，延遲堪比內(nèi)存，而且具備超長壽命及可靠性，耐高溫等特性。
由于未來的制程微縮和規(guī)模經(jīng)濟(jì)提升將促使價格降低，并開始將新興內(nèi)存作為獨立芯片以及嵌入于ASIC、微控制器(MCU)以及甚至運算處理器中，從而使其變得比現(xiàn)有的內(nèi)存技術(shù)更具競爭力。
同時，新型存儲的發(fā)展也推動了存算一體技術(shù)的創(chuàng)新和迭代。
存算一體迎來突破？
在馮·諾伊曼架構(gòu)之下，存儲單元和計算單元獨立分開，搬移數(shù)據(jù)的過程需要消耗大量時間和能量，并且由于處理器和存儲器的工藝路線不同，存儲器的數(shù)據(jù)訪問速度難以跟上CPU的數(shù)據(jù)處理速度，性能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于處理器。所以，馮諾依曼架構(gòu)在數(shù)據(jù)處理速度和能效比等方面存在天然限制，這被稱為“存儲墻”。
存算一體架構(gòu)通過將存儲單元和計算單元融為一體，消除了數(shù)據(jù)訪存帶來的延遲和功耗，是解決存儲墻問題的*方案之一，實現(xiàn)更高的算力和更高的能效比。
存算一體突破存儲墻
(圖源：云岫資本)
當(dāng)前的存算一體技術(shù)路徑中，既有使用DRAM、SRAM、NAND等傳統(tǒng)存儲器的方案，也有使用ReRAM、PCM、MRAM等新型存儲器的方案。
前者由于存儲器制造工藝和邏輯計算單元的制造工藝不同，無法實現(xiàn)良好的融合，目前只能實現(xiàn)近存計算，仍存在存儲墻問題，甚至因為互連問題可能還會帶來性能損失。并且，因為SRAM和DRAM是易失性存儲器，需要持續(xù)供電來保存數(shù)據(jù)，仍存在功耗和可靠性的問題。
后者則是結(jié)合非易失性新型存儲器，可以利用歐姆定律和基爾霍夫定律在陣列內(nèi)完成矩陣乘法運算，而無需向芯片內(nèi)移入和移出權(quán)重。新型存儲器是通過阻值變化來存儲數(shù)據(jù)，而存儲器加載的電壓等于電阻和電流的乘積，相當(dāng)于每個單元可以實現(xiàn)一個乘法運算，再匯總相加便可以實現(xiàn)矩陣乘法，所以新型存儲器天然具備存儲和計算的屬性。
在這種情況下，同一單元就可以完成數(shù)據(jù)存儲和計算，消除了數(shù)據(jù)訪存帶來的延遲和功耗，是真正意義上的存算一體。
除了上述提到的當(dāng)前較為成熟的四大新型存儲之外，Racetrack內(nèi)存、DNA存儲等新興技術(shù)也在不斷涌現(xiàn)。
Racetrack內(nèi)存
Racetrack內(nèi)存，又稱磁疇壁內(nèi)存(domain-wall memory，DWM)，是一種新的內(nèi)存技術(shù)，利用磁性納米管中的原子來存儲信息，每通過一個晶體管可以讀出16位數(shù)據(jù)，因此其讀寫信息的速度比閃存快10萬倍。
同時，Racetrack內(nèi)存可以保存大量可以非�？焖俚卦L問的數(shù)據(jù)，資料儲存密度比現(xiàn)有的閃存還高，與現(xiàn)有的硬盤技術(shù)接近，可以作為通用型內(nèi)存(Universal memory)使用。
與其他內(nèi)存技術(shù)相比，Racetrack內(nèi)存可能具有*的密度，Racetrack 存儲器與閃存一樣是固態(tài)的，沒有笨重的移動部件，并且是非易失性的，即使在斷電后也能存儲數(shù)據(jù)。
這些設(shè)備不僅能夠在同樣的空間內(nèi)存儲更多的信息，而且其所需的電量及產(chǎn)生的熱量也要少得多，同時幾乎不會損壞。其結(jié)果是海量的個人存儲內(nèi)容僅使用一塊電池便可運行幾個星期，而且這些內(nèi)容幾十年也不用擔(dān)心損壞。
Racetrack內(nèi)存仍然處于研究的初期，迄今為止，大多數(shù)關(guān)于Racetrack存儲的研究都集中在2D設(shè)備上。科學(xué)家們正在探索建立3D Racetrack存儲的許多不同方法。實現(xiàn)三維構(gòu)建的賽道內(nèi)存將不遵從于摩爾定律，將為開發(fā)成本更低、速度更快的設(shè)備提供新的可能性。
DNA存儲
為了尋找更高效能的存儲載體，研究者將目光對準(zhǔn)到了自然界中遺傳信息的載體DNA。
DNA存儲是一種以生物大分子DNA作為信息載體的存儲技術(shù)，具有容量大、密度高、能耗低和存儲時間長等優(yōu)點。
技術(shù)層面上來看，DNA存儲已經(jīng)被證明是可行的。
前不久，天津大學(xué)合成生物學(xué)團(tuán)隊創(chuàng)新了DNA存儲算法，將十幅精選敦煌壁畫存入DNA中，通過加速老化實驗驗證壁畫信息在實驗室常溫下可保存千年，在9.4℃下可保存兩萬年。
這項技術(shù)不僅證實了DNA是可靠的存儲介質(zhì)，同時也使信息存儲技術(shù)進(jìn)入一個新時代。DNA存儲技術(shù)更適用于存儲重要且無需經(jīng)常訪問、調(diào)用的“冷數(shù)據(jù)”。“冷數(shù)據(jù)”在接近零能耗的情況下，理論上來看可保存千年以上。在未來DNA存儲極有可能成為龐大冷數(shù)據(jù)存儲的主要存儲介質(zhì)。
DNA存儲是一個新興的、多學(xué)科深度交叉融合的技術(shù)，近幾年DNA存儲的研究已經(jīng)取得了一些突破。DNA 已經(jīng)被研究人員用來以不同的方式管理數(shù)據(jù)，這些研究人員正在努力理解海量數(shù)據(jù)。但目前DNA存儲技術(shù)的落地還存在一些技術(shù)難題，想要把實驗室的樣品變成市場上的產(chǎn)品，需要科研機構(gòu)、高校、企業(yè)等通力合作。
寫在最后
隨著市場和技術(shù)不斷發(fā)展，AI、5G、IoT和工業(yè)4.0等使得數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)爆炸式增長，全新的運算需求驅(qū)動存儲朝更高容量、高讀寫次數(shù)、更快讀寫速度、更低功耗方向發(fā)展。
如上文所述，當(dāng)傳統(tǒng)路徑中延續(xù)性技術(shù)創(chuàng)新的弊端已經(jīng)暴露出來，市場亟待能夠滿足新場景需求的存儲器產(chǎn)品，新型存儲迎來機會窗口。
然而，縱然當(dāng)前主流存儲技術(shù)存在很多局限和挑戰(zhàn)，以及眾多新型存儲技術(shù)層出不窮，但現(xiàn)在說誰將勝出還為時過早，盡管新型內(nèi)存技術(shù)的未來前景光明，但其仍然很難打入一些根深蒂固的技術(shù)市場。即使經(jīng)濟(jì)效益有所提升，新型內(nèi)存也很難快速顛覆現(xiàn)有市場的主導(dǎo)地位，只是在當(dāng)前的市場現(xiàn)狀和境遇下，新型存儲憑借顛覆性的技術(shù)創(chuàng)新路徑，迎來了一次追趕傳統(tǒng)存儲技術(shù)寡頭的機會。
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