新興存儲(chǔ)器已經(jīng)存在了數(shù)十年之久。盡管有些人發(fā)現(xiàn)嵌入式技術(shù)已經(jīng)在商業(yè)層面取得了一定成功，但其仍然落后于離散存儲(chǔ)器所代表的高性價(jià)比解決方案。換言之，前者雖然具備更強(qiáng)大的性能、持久性、保留性或者更優(yōu)秀的運(yùn)轉(zhuǎn)功耗，但仍不足以彌合價(jià)格成本方面的差距。
當(dāng)下，正是討論新興存儲(chǔ)器技術(shù)的最好時(shí)機(jī)。數(shù)十年以來，眾多廠商都在致力于取代DRAM及NAND閃存等現(xiàn)有存儲(chǔ)解決方案，并借此將老牌勁旅們趕下神壇。
但是，新興存儲(chǔ)器真能開辟一片全新的天地嗎?盡管摩爾定律正面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，突破性研究也確實(shí)帶來了不少令人眼前一亮的全新專利，但DRAM與NAND技術(shù)本身也在不斷發(fā)展。換句話說，這些替代對(duì)象并沒有停下前進(jìn)的腳步。而作為后起之秀的MRAM、ReRAM、FRAM以及PCRAM雖然在汽車、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、傳感器節(jié)點(diǎn)乃至AI與機(jī)器學(xué)習(xí)等全新場(chǎng)景中頗具熱度，但卻總是受到兩大致命短板的約束——可靠性與使用壽命。
實(shí)際上，下一代存儲(chǔ)器與傳統(tǒng)技術(shù)并無區(qū)別，都需要在特定的應(yīng)用領(lǐng)域下討論其發(fā)展機(jī)遇。但是，為什么傳統(tǒng)技術(shù)能夠在規(guī)模較小的細(xì)分市場(chǎng)中仍然獲得了可觀的利潤(rùn)率?因?yàn)閭鹘y(tǒng)系統(tǒng)往往正是特定問題的最佳解決方案。
磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)最早誕生于上世紀(jì)八十年代，并被推廣為通用型存儲(chǔ)器。與其他存儲(chǔ)技術(shù)不同，MRAM將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為磁性元素，而非電荷或電流。在性能方面，由于使用充足的寫入電流，因此MRAM的表現(xiàn)與SRAM基本類似。但這種對(duì)供電能力的高度依賴，也阻礙了其在高寫入密度下與DRAM及閃存展開競(jìng)爭(zhēng)的能力。
盡管Everspin等MRAM先驅(qū)已經(jīng)在嵌入式應(yīng)用的離散市場(chǎng)中取得了一定成功，甚至證明其足以滿足車載應(yīng)用環(huán)境提出的嚴(yán)苛要求，但MRAM本身無疑仍是一種小眾性質(zhì)的存儲(chǔ)器方案。
同樣地，電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(ReRAM)尚未發(fā)展出可行的離散存儲(chǔ)器產(chǎn)品，甚至在嵌入式市場(chǎng)上的應(yīng)用也仍然有限。最近被Dialog Semiconductor收購(gòu)的Adesto Technologies是首批通過CBRAM技術(shù)向市場(chǎng)推出商用ReRAM器件的廠商之一。與傳統(tǒng)嵌入式閃存技術(shù)相比，ReRAM的主要優(yōu)勢(shì)包括功耗更低、處理步驟更小且額定電壓更低等。此外，ReRAM還具備在太空及醫(yī)療場(chǎng)景下使正常工作的良好輻射耐受性。
過去二十年以來，已經(jīng)有多家公司在開發(fā)ReRAM技術(shù)，但該方法仍在集成與可靠性等方面存在一定挑戰(zhàn)。與磁阻技術(shù)一樣，ReRAM供應(yīng)商已經(jīng)在開發(fā)嵌入式ReRAM器件方面取得一定進(jìn)展，能夠分?jǐn)偛糠珠_發(fā)成本。Weebit Nano與研究合作伙伴L(zhǎng)eti聯(lián)手，于2019年末宣布將加大對(duì)選擇器課題的攻堅(jiān)力度，努力推動(dòng)離解ReRAM獲得商業(yè)可行性。同時(shí)，他們還將繼續(xù)探索這種存儲(chǔ)器技術(shù)在神經(jīng)形態(tài)與AI應(yīng)用場(chǎng)景中的潛力。公司CEO Coby Hanoch此前曾在采訪中表示，Weebit目前仍是一家存儲(chǔ)器初創(chuàng)企業(yè)，需要首先從嵌入式產(chǎn)品中建立穩(wěn)定的收入流，而后才可能在其他領(lǐng)域取得進(jìn)步。
Weebit Nano公司的ReRAM技術(shù)使用兩個(gè)金屬層，中間則由氧化硅層隔開，因此能夠使用現(xiàn)有生產(chǎn)線及材料直接制造
Weebit公司ReRAM技術(shù)的主要競(jìng)爭(zhēng)力，在于其能夠直接利用現(xiàn)有生產(chǎn)線及材料直接制造。
而作為尋求離散存儲(chǔ)技術(shù)新方向的另一股重要力量，則是鐵電存儲(chǔ)器(FRAM)，其使用鐵電替代介電層以實(shí)現(xiàn)非易失性。雖然制造流程類似于DRAM，但FRAM的功能特性其實(shí)更接近于傳統(tǒng)閃存。
FRAM可以說是最成功的一類新興存儲(chǔ)器，而且已經(jīng)在嵌入式應(yīng)用場(chǎng)景中取得不錯(cuò)的進(jìn)展，亦有可能迎來更高的密度水平。經(jīng)過約35年的發(fā)展，F(xiàn)RAM的非易失性與低功耗已經(jīng)成為承載多種小眾利基應(yīng)用方案的理想特性。
例如，Cypress_Infineon就提到面向汽車與工業(yè) 應(yīng)用的Excelon FRAM，其低引腳數(shù)小尺寸封裝產(chǎn)品的存儲(chǔ)密度高達(dá)8 Mb。Excelon系列產(chǎn)品在設(shè)計(jì)層面專門考慮到了自動(dòng)駕駛汽車提出的高速、非易失性數(shù)據(jù)記錄需求。此外，該產(chǎn)品也適用于醫(yī)療、可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)傳感器、工業(yè)及其他高級(jí)汽車應(yīng)用。憑借著功耗的顯著降低、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)保留性以及輻射耐受性，F(xiàn)RAM開始成為EEPROM與NOR閃存的一類可行替代方案，足以在植入式醫(yī)療設(shè)備中提供長(zhǎng)達(dá)十年的穩(wěn)定存儲(chǔ)支持。
在其他領(lǐng)域，德國(guó)鐵電存儲(chǔ)器公司(FMC)預(yù)計(jì)未來將出現(xiàn)密度更高、商業(yè)可行性更強(qiáng)的存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存存儲(chǔ)器。FMC方面正在探索氧化鉿的潛力，希望借此制造出更大的晶體管，從而以經(jīng)濟(jì)高效的方式帶來密度更高的FRAM產(chǎn)品。
對(duì)于一種只面向小眾應(yīng)用市場(chǎng)，但又希望成功替代DRAM與閃存的新興技術(shù)，達(dá)成目標(biāo)的一項(xiàng)前提就是在規(guī)模制造流程中建立起強(qiáng)大的成本控制能力。一旦制造成本過高，那么無論是MRAM、ReRAM、FRAM還是PCRAM，都不足以單純依靠自身的特性優(yōu)勢(shì)吸引到買家。事實(shí)上，就算是較之前平面產(chǎn)品擁有明確優(yōu)勢(shì)的3D NAND，也需要經(jīng)歷了不斷地發(fā)展之后才能在市場(chǎng)上真正站穩(wěn)腳跟。
Optane的故事
由英特爾與美光公司共同開發(fā)的3D Xpoint相變存儲(chǔ)器(PCRAM)可能已經(jīng)迎來了發(fā)展的臨界點(diǎn)，得以從“新興”正式轉(zhuǎn)向商用。PCRAM技術(shù)同樣擁有悠久的歷史，但直到最近十年，相關(guān)研究才正式轉(zhuǎn)向商業(yè)化。PCRAM是一種非易失性存儲(chǔ)器，利用硫?qū)倩锞w的獨(dú)特特性研發(fā)而成。到目前為止，真正獲得商業(yè)成功的只有英特爾的Optane。而且與3D NAND一樣，PCRAM也經(jīng)歷了發(fā)展中的多個(gè)陣痛期。
但是，事實(shí)證明3D Xpoint的制造確實(shí)更具成本效益。此外，英特爾與美光的其他芯片制造商也能夠以3D Xpoint為基礎(chǔ)構(gòu)建起多種產(chǎn)品。德國(guó)默克公司下轄子公司Intermolecular最近就公布了關(guān)于某種新型材料組合的研究，能夠建立起3D垂直形式的非易失性存儲(chǔ)器架構(gòu)，這也意味著3D Xpoint技術(shù)已經(jīng)迎來第二輪迭代。
英特爾公司目前提供的Optane主要用于生產(chǎn)DIMM與SSD，市場(chǎng)定位屬于存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存。芯片巨頭似乎對(duì)于Optane只能在部分用例中(而非全部場(chǎng)景下)取代DRAM及閃存的現(xiàn)狀感到滿意。例如，Optane Persistent Memory 200系列以DIMM形式交付，能夠以225倍于主流SSD的速度代替NAND SSD支持實(shí)時(shí)分析類應(yīng)用。
英特爾公司Optane解決方案總經(jīng)理Christopher Tobias表示，SSD的一大優(yōu)勢(shì)在于善于處理隨機(jī)輸入/輸出負(fù)載。那時(shí)候CPU的核心數(shù)量還比較有限，虛擬化技術(shù)也才剛剛起步。隨著多核心、虛擬化與軟件容器技術(shù)在云端的全面興起，如何在存儲(chǔ)端充分支持這些計(jì)算資源的運(yùn)作就成了新的挑戰(zhàn)。
Tobias解釋道，隨著DRAM的發(fā)展趨近于極限，Optane有望給DRAM注入一波新的活力，并以DIMM格式服務(wù)于CPU。他解釋道，“我們一直在大規(guī)模生產(chǎn)Optane產(chǎn)品，它也切實(shí)滿足了市場(chǎng)上的部分關(guān)鍵需求。我們能夠隨時(shí)根據(jù)需求為這些虛擬核心補(bǔ)充內(nèi)存容量，讓計(jì)算資源變得更加密集。”
Tobias指出，Optane的經(jīng)濟(jì)性與效率水平已經(jīng)足以在NAND SSD與DRAM之間為自己爭(zhēng)得一片生存空間。具體來講，Optane既能補(bǔ)充昂貴的DRAM容量，又可以滿足傳統(tǒng)SSD無法支持的嚴(yán)苛延遲要求。
Tobias還補(bǔ)充道，“大型云服務(wù)供應(yīng)商顯然有必要填補(bǔ)這部分空白。”但目前的現(xiàn)實(shí)障礙在于，必須在軟件及架構(gòu)層面加以升級(jí)，才能充分利用Optane帶來的性能提升。
他強(qiáng)調(diào)稱，“將新的芯片技術(shù)推向市場(chǎng)是一項(xiàng)極為困難的工作，其中存在大量需要克服的挑戰(zhàn)，”例如擴(kuò)大制造規(guī)模等?？傊?，從實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)原型到制造生產(chǎn)線的過渡，總會(huì)耗費(fèi)“巨量”資源。
這一方面要求企業(yè)擁有雄厚的財(cái)力，同時(shí)也依賴于大量經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師。研究公司Omdia存儲(chǔ)器高級(jí)總監(jiān)Michael Yang表示，另外，愿意做出長(zhǎng)期承諾且具有耐心的資本同樣難以尋覓。除了英特爾之外，幾乎沒有哪家企業(yè)能夠獨(dú)立將一項(xiàng)新興存儲(chǔ)器技術(shù)推向終點(diǎn)。Yang指出，Optane“之所以能夠堅(jiān)持到轉(zhuǎn)折點(diǎn)，也是因?yàn)槭袌?chǎng)需求已經(jīng)客觀存在。”
這部分市場(chǎng)并不在于取代DRAM或閃存，而是在最適合的區(qū)域內(nèi)使用替代性存儲(chǔ)器方案。Yang表示，英特爾Optane獲得的成功也給其他新興存儲(chǔ)器制造商帶來了寶貴的經(jīng)驗(yàn)：首先尋找具有明確利潤(rùn)空間的技術(shù)市場(chǎng)，而非一味追求取代成熟的現(xiàn)有存儲(chǔ)技術(shù)。“不要奢望于取代DRAM或閃存技術(shù)，這個(gè)機(jī)會(huì)窗口早在幾年之前就已經(jīng)永遠(yuǎn)關(guān)閉了。”
大多數(shù)MRAM公司已經(jīng)存在多年，而這些不再年輕的廠商始終未能在嵌入式市場(chǎng)之外取得任何有意義的進(jìn)展——更遑論取代DRAM或者閃存了。
雖然宣稱能夠取代DRAM或閃存將帶來巨大的市場(chǎng)反響，但這種說法在工程角度來看根本不可能實(shí)現(xiàn)。Yang指出，大多數(shù)企業(yè)根本就不具備橫掃存儲(chǔ)器市場(chǎng)的潛質(zhì)，但在嵌入式及低密度設(shè)備等細(xì)分市場(chǎng)中滋潤(rùn)地活下去倒是沒有問題。因此，也許現(xiàn)在最重要的就是拋棄“新興”標(biāo)簽，真正把產(chǎn)品做好。無論是MRAM、ReRAM還是FAM，在Yang看來都“只是存儲(chǔ)器而已。”
過去三年以來，Thomas Coughlin與Objective Analysis一直在合作跟蹤新興存儲(chǔ)器市場(chǎng)。Coughlin表示，嵌入式市場(chǎng)是各類新興存儲(chǔ)器技術(shù)的最佳發(fā)展空間。即使是獨(dú)立設(shè)備，在提出低功耗要求的同時(shí)，也會(huì)對(duì)設(shè)備的存儲(chǔ)密度做出適當(dāng)妥協(xié)。他表示，“很多應(yīng)用程序都能夠從低容量非易失性存儲(chǔ)器中獲得重大收益。”
DRAM與NOR閃存最終都可能遇到擴(kuò)展限制。一旦FRAM、MRAM與ReRAM在市場(chǎng)上站穩(wěn)腳跟，將很快在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域迎來屬于自己的發(fā)展機(jī)遇。
不管名稱本身是否恰當(dāng)，MRAM與ReRAM仍然代表著新興的存儲(chǔ)器形式。而在Coughlin看來，Optane的重要意義在于，英特爾借此證明了新興存儲(chǔ)器技術(shù)確實(shí)有可能邁過盈虧平衡點(diǎn)。他表示，客戶也開始意識(shí)到自己對(duì)于高速、廉價(jià)存儲(chǔ)器(例如DRAM)的迫切需求。從這個(gè)角度來看，新興存儲(chǔ)器“代表一種廉價(jià)的內(nèi)存擴(kuò)展方向，有望帶來成本更低的內(nèi)存密集型應(yīng)用方案。”
Yang還提到，雖然Optane可能擁有高達(dá)10億美元的總體價(jià)值，但其真正適合的也只有實(shí)時(shí)分析等少部分工作負(fù)載。在此之外，其他存儲(chǔ)器制造商完全可以把握住規(guī)模更小、但同樣足以支撐起健康業(yè)務(wù)的市場(chǎng)空間。
他總結(jié)道，“我們生活的絕不是非黑即白的二元世界。即使市場(chǎng)規(guī)模只有3000萬美元，也足以支撐起一家成功的企業(yè)。這只是成功這一概念的不同表現(xiàn)方式。”
