超越NAND閃存的新一代內(nèi)存技術(shù)

雖然NAND閃存可能在2020年末引領(lǐng)企業(yè)級固態(tài)存儲的蓬勃發(fā)展，不過這種技術(shù)潛在的對手已經(jīng)出現(xiàn)，并開始獲得業(yè)內(nèi)關(guān)注。這些技術(shù)包括相變內(nèi)存(PCM)、磁阻隨機(jī)存取內(nèi)存(MRAM)和電阻式隨機(jī)存取內(nèi)存(RRAM)。

在過去的數(shù)年中，這些新興的內(nèi)存技術(shù)發(fā)展迅速，在性能和產(chǎn)品使用時間方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了現(xiàn)有的技術(shù)水平。

舉例來說，IBM研究所在今年夏天宣布基于熱能的PCM在未來的某一天或許可以讓系統(tǒng)吞吐數(shù)據(jù)的速度較現(xiàn)有的NAND閃存提升100倍，并且保持至少10,000,000次的寫周期，這較目前企業(yè)級多層單元(eMLC)閃存30,000次的寫周期是指數(shù)級別的改善。

在為期6個月監(jiān)測PCM材質(zhì)單元的穩(wěn)定性后，IBM位于蘇黎世的調(diào)研實驗室宣布其在單個單元中實現(xiàn)了多位數(shù)據(jù)的可靠存儲。Haris Pozidis是IBM在蘇黎世研究所中存儲和探測技術(shù)的負(fù)責(zé)人，他說多層單元(MLC)的PCM在2016年可以用于企業(yè)級服務(wù)器和存儲系統(tǒng)。他表示這項技術(shù)非常適用于“大數(shù)據(jù)”的分析和云計算等應(yīng)用。

不過這種預(yù)測還基于某種前提。Pozidis表示這一進(jìn)度還取決于移動電話和內(nèi)存制造廠商在未來幾年中是否將MLC-PCM作為閃存的替代品。

由于IBM并沒有內(nèi)存設(shè)備或固態(tài)存儲驅(qū)動器業(yè)務(wù)，其依賴外部的供應(yīng)商來為IBM的MLC-PCM提供許可和產(chǎn)品。Pozidis說IBM很期待這一產(chǎn)品的出現(xiàn)，但他同時表示這件事并不是完全確定的。
PCM和“賽道存儲”

PCM只是IBM所推崇的內(nèi)存技術(shù)之一。而其位于加利福尼亞的阿爾馬登的研究中心正在推動另一項磁道技術(shù)，稱為“賽道存儲”，這種技術(shù)將磁性數(shù)據(jù)塊在納米線所組成的“賽道”上來回運動，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。

在IBM網(wǎng)站上發(fā)表的一篇題為《圖標(biāo)的發(fā)展》的故事中，該公司宣布了賽道存儲，以及三維微型集成進(jìn)電路“有可能會取代幾乎所有的存儲數(shù)據(jù)存儲方式“。這項技術(shù)可以使得移動電話、筆記本和業(yè)務(wù)級別的服務(wù)器存儲100倍的數(shù)據(jù)，并且提供更快速的存取訪問速度。

Stuart Parkin是IBM位于阿爾馬登研究所自旋電子學(xué)組的負(fù)責(zé)人，其表示這項技術(shù)較傳統(tǒng)閃存提供了更多的優(yōu)勢，其中包括永無磨損和寫操作限制，而且價格和NAND旗鼓相當(dāng)。他預(yù)言應(yīng)用這項技術(shù)的產(chǎn)品會在5年或7年后出現(xiàn)，這和PCM可能出現(xiàn)的時間段相當(dāng)。

不過，IBM的Pozidis表示PCM較賽道存儲會“更快出現(xiàn)”并“具備更多的優(yōu)勢特征”。

雖然IBM每年在其知識產(chǎn)權(quán)上的許可證費用超過10億美元，并且公司一直致力于各項有前景的存儲新技術(shù)，但其來自PCM和賽道存儲方面的信息仍無法明確哪一項技術(shù)將會取代NAND閃存技術(shù)。
“我并不完全相信IBM所說的，”安大略省紐約市Forward Insights公司的創(chuàng)始人和首席分析師Greg Wong說，“假如他們的業(yè)務(wù)是生產(chǎn)這類存儲，并且將其商業(yè)化，這可能是另一回事。不過他們并沒有實際參與到這類項目中。”

PCMS，STT-MRAM和RRAM

大部分參與到這項游戲中的半導(dǎo)體生產(chǎn)商正在探索多項技術(shù)，包括PCM，MRAM和RRAM。不過除非這項替代品可以達(dá)到NAND這一水平的成本，否則該技術(shù)就無法在企業(yè)級存儲上成為NAND真正的競爭對手，無論其技術(shù)有多領(lǐng)先。

“價格最接近的技術(shù)價格可能也是NAND的5倍以上，”美光技術(shù)公司NAND解決方案事業(yè)本部的市場總監(jiān)Kevin Kilbuck在評論研究可替代技術(shù)的公司時提到。

同時，美光致力于多個領(lǐng)域，其中包括PCM(通過其在2010年收購恒憶半導(dǎo)體)以及自旋注入式磁化反轉(zhuǎn)型MRAM(STT-MRAM)。Kilbuck說某些技術(shù)可能會作為NAND閃存的補(bǔ)充。
“這些技術(shù)各有優(yōu)勢，”Kilbuck說，“很難講哪一項會勝出。”

Troy Winslow是英特爾公司非易失性內(nèi)存解決方案事業(yè)本部的產(chǎn)品市場部總監(jiān)，他通過電子郵件表示英特爾認(rèn)為堆棧式PCM的變體，稱為變相存儲開關(guān)，為PCM單元層分配一個雙向閾值開關(guān)，可以在企業(yè)級系統(tǒng)中發(fā)揮較MRAM更大的潛力。

英特爾和恒憶半導(dǎo)體在2009年宣布其證實了一塊64Mb的測試芯片可以在一塊晶體盤中堆棧成多層的PCM陣列層，這為存儲更大容量，更高性能和擴(kuò)展性，以及更低能耗的實現(xiàn)進(jìn)行了鋪墊。

不過，Winslow補(bǔ)充道，“NAND仍將企業(yè)級解決方案中保持長久的生命力。及時在幾年內(nèi)出現(xiàn)某種新技術(shù)，技術(shù)遷移也會花費數(shù)年。”

在2011年7月，海力士半導(dǎo)體公司和東芝公司發(fā)布了一則聯(lián)合通告，關(guān)于其共同開發(fā)STT-MRAM的協(xié)議，兩家公司認(rèn)為這項技術(shù)因為其在速度，容量和功耗方面的優(yōu)勢，非常適合于智能電話。東芝拒絕提供更多的評論，不過其他公司則認(rèn)為STT-MRAM最終也會在企業(yè)級系統(tǒng)中得以應(yīng)用。

之后的一個月，三星電子有限公司宣布其對Grandis公司的收購，這表示三星公司也開始致力于STT-MRAM。三星將Grandis并入研發(fā)運營團(tuán)隊，不過STT-MRAM只是該公司投資的多項取代NAND技術(shù)中的一種。

“三星，這個全球最大的NAND供應(yīng)商，在嘗試晚所有方式之前是不會輕易讓NAND被淘汰的，”科羅拉多州Silverton咨詢公司的創(chuàng)始人和總裁Ray Lucchesi說，“NAND背后有太多的公司和利益，這項技術(shù)并不會輕易逝去。”

即便在長期角度上看，F(xiàn)orward Insight的Wong也并不認(rèn)為MRAM或堆棧式變體PCM的價格可以和NAND那樣。他說供應(yīng)商目前都在希望用PCM和MRAM來補(bǔ)充或替換部分的DRAM，從本質(zhì)上作為一種非易失性RAM，可以在掉電的情況下保持?jǐn)?shù)據(jù)，而不像DRAM那樣。他說這項技術(shù)在對于隨機(jī)寫操作敏感的工作負(fù)荷環(huán)境下極其有用，這種工作環(huán)境要求高I/O，比如數(shù)據(jù)庫和財務(wù)應(yīng)用。

不過，根據(jù)Wong的說法，RRAM比PCM或MRAM更有可能取代NAND。他說所有主要內(nèi)存廠商都致力于RRAM，其工作原理在于電氣兩級變化電阻。HP公司有另一項名稱，記憶電阻器。

“從理論上講，RRAM是影響可擴(kuò)展的技術(shù)，”Wong說，“不過對于任何一項要取代NAND的技術(shù)都必需可以進(jìn)行堆棧，這在根本上是項挑戰(zhàn)。

后繼者也會受到NAND閃存技術(shù)外延的影響

與此同時，預(yù)測哪項技術(shù)更有希望成為取代NAND閃存變得非常困難，因為在這項技術(shù)首次出現(xiàn)后，NAND閃存本身比業(yè)內(nèi)預(yù)期的獲取了更長的生命周期，“這些實驗室里的天才們不斷采取方式推動這項技術(shù)，哪怕只有額外的一兩步工序，他們這樣持續(xù)做了幾乎10年，”加利福尼亞州洛斯加托斯的Object Analysis的創(chuàng)立者和首席分析師Jim Handy說，“誰敢說他們不會繼續(xù)這樣做上另外10年呢?”

Handy回顧了一份2003年英特爾開發(fā)者大會上的演講稿，當(dāng)時一名高級管理人員宣稱NAND閃存無法超越60納米的工藝水平。不過英特爾和美光科技持續(xù)將這種技術(shù)工藝從50納米提升至34納米，25納米，直至現(xiàn)在的20納米。Handy預(yù)期閃存會最終縮小到10納米，并停止在大約8納米這一極限值上。

通過工藝的提升帶來了巨大的成本下降。將2個字節(jié)封裝在每個單元的MLC或新興的消費級的3層單元(TLC)閃存也降低了成本。不過這種創(chuàng)新也帶來了負(fù)面效果，比如耐久度，性能和穩(wěn)定性的降低。

到目前為止，生產(chǎn)商已經(jīng)能夠?qū)?個字節(jié)的MLC NAND閃存應(yīng)用在企業(yè)及數(shù)據(jù)存儲中，并通過復(fù)雜的控制技術(shù)，誤差糾正嗎(ECC)和磨損測量技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)充。不過，由于受限于目前的晶體管技術(shù)，恐怕很難再有更多控制技術(shù)。

還有一種可能延續(xù)閃存生命周期的技術(shù)就是3D NAND，這種技術(shù)從三個維度堆棧內(nèi)存單元。美光科技的Kilbuck將其比作一幢多層的辦公樓，而非二維的NAND閃存那種在一個平面鋪開的單層辦公樓。

“目前針對二維的NAND單元何時會達(dá)到其擴(kuò)展極限，業(yè)內(nèi)尚有很多爭論，”Kilbuck說，“我聽到有人說還會有好幾十年，也有人說會在幾年內(nèi)NAND就會按比例縮小，我們不得不轉(zhuǎn)向諸如3D NAND之類的技術(shù)。”

Kilbuck也表示業(yè)內(nèi)無法預(yù)計3D技術(shù)會面臨怎樣的挑戰(zhàn)，并且其會延長NAND多久的生命周期，所有這些都要等到3D NAND大量生產(chǎn)后才會有分曉。

“閃存可擴(kuò)展性的終結(jié)是每個人都擔(dān)心的事情，這也是為什么他們轉(zhuǎn)向其它技術(shù)的原因，”Object Analysis的Handy說。不過他認(rèn)為現(xiàn)在斷言PCM、MRAM、RRAM還是其它技術(shù)會勝出還為時過早。“假如NAND閃存在衰退之前還有另外10年的生命周期，那就意味著這些技術(shù)黑馬還要等上10年才能有機(jī)會成為市場主導(dǎo)者。”