新型存儲介質

摘 要：眾所周知，在傳統的計算機體系結構中，內存架構是層級制的。從片上的寄存器內存-高速緩存（cache），到片外的主存（DRAM），以及磁盤（disk）。不同的計算機硬件廠商可能在具體的等級劃分數目上有所不同，但大體結構并無二致。由于存在寄存器內存-高速緩存-主存-硬盤存儲器這樣的從上到下的層級結構，越往下存儲容量越大，價格更低，但是存取速度也越慢。更高密度、更大帶寬、更低功耗、更短延遲時問、更低成本和更高可靠性是存儲器設計和制造者追求的永恒目標。根據這一目標，人們研究各種存儲技術，以滿足應用的需求。本文對目前幾種比較有競爭力和發展潛力的新型存儲介質做了一個簡單的介紹。

關鍵詞：存儲介質；新型

由于CPU芯片大小的固有限制，寄存器內存不能太大，一般只有幾十KB到幾百KB的存儲容量。所以，一個更好地改造目標是DRAM，近年來隨著技術的進步和成熟，DRAM已經從從2GB發展到如今的8GB，16GB甚至更高，且速度性能也在不斷提升。但是，隨著近些年內存計算技術的興起，越來越多的應用需要將更多數據放入內存中進行操作，內存空間就成為了一個不可忽視的瓶頸。如何能夠在保證訪問速度的情況下，提升內存存儲空間成為了一個極具挑戰力的課題。

1scm介質

SCM（Storage Class Memory）是當前業界非常熱門的新介質形態，同時具備持久化和快速字節級訪問的特點。SCM介質的訪問時延普遍小于1μs，沒有NAND Flash順序寫入和寫前擦除的約束，操作過程更簡單；SCM介質的在壽命和數據保持能力方面的表現也遠超NAND Flash。基于這些特點，業界普遍認為SCM會成為顛覆存儲系統設計的新一代介質，并優先應用于性能和可靠性要求較高的場景。

1.1 PCM相變存儲器

相變存儲器，是指利用特殊合金材料在晶態和非晶態下的導電性差異來表示0或者1的狀態。

缺點是對于高溫比較敏感，PCM可用于Cache加速場景和大內存應用場景，由于其壽命和內存仍有一定差距，因此需要在系統設計上針對PCM進行優化以避免“寫穿”。但結構簡單，便于實現大容量和低成本。

主要用于Cache加速和Cache內存應用，考慮到PRAM的成熟度、對熱度敏感和寫穿透等因素，在應用中一般搭配DRAM或SRAM一起使用，在填補RAM和Storage之間的性能、容量差距的同時，形成具有分級能力的高速Cache應用資源池；其典型代表為Intel和Micron聯合研發的Intel的3D Xpoint。

1.2 ReRAM阻抗隨機存儲器

阻抗隨機存儲器，是通過在上下電極間施加不同的電壓，控制Cell（存儲單元）內部導電絲的形成和熔斷對外呈現不同的阻抗值。

它的讀寫壽命和性能都較低，但優點是它的不同阻抗值可以表示不同狀態，理論容量密度和成本可以最優。

主要應用于高速的數據存儲場景。典型代表廠商為HPE和Crossbar，目前成熟度有待加強。

1.3 MRAM磁性隨機存儲器

磁性隨機存儲器，是通過電流磁場改變電子自旋方向來表示不同狀態。

它的缺點很明顯，工藝成熟度低，實際產品容量密度也較小。但它的理論性能和壽命都很高，當前理論研究較為成熟。

適用于貼近CPU側的高速緩存（如L2 Cache，LLCache），代表廠商為Toshiba和Everspin。

1.4 NRAM碳納米管隨機存儲器

碳納米管隨機存儲器，是采用碳納米管作為開關，控制電路通斷表示不同的數據狀態。

它的缺點是工藝成熟度低，實際產品容量密度較小，但由于碳納米管尺寸非常小并且具備極強的韌性，因此NRAM理論制程可以達到5nm以下，密度和壽命及其優秀，理論功耗也比較低，具有極強的發展潛力。

可用于替代SRAM（Static random-access memory or StaticRAM）的應用場景。當前由Nantero授權其他存儲芯片廠商加工，成熟度比較低，距離規模商用仍需很長的發展歷程。

2非易失存儲器（NVM）

非易失性存儲器是指當電流關掉后，所存儲的數據不會消失者的電腦存儲器。非易失性存儲器中，依存儲器內的數據是否能在使用電腦時隨時改寫為標準。分為二大類產品，即ROM和Flash memory。當然，NVM并不是指某種特定的硬件介質內存，而是針對具有非易失特性的內存的統稱。目前有幾種比較具有發展潛力的新型非易失性存儲器。

2.1 鐵電存儲器（FeRAM）

鐵電存儲器是一種在斷電時不會丟失內容的非易失存儲器，具有高速、高密度、低功耗和抗輻射等優點。當前應用于存儲器的鐵電材料主要有鈣鈦礦結構系列。鐵電存儲器的存儲原理是基于鐵電材料的高介電常數和鐵電極化特性，按工作模式可以分為破壞性讀出（DRO）和非破壞性讀出（NDRO）。

NDRO模式存儲器以鐵電薄膜來替代MOSFET中的柵極二氧化硅層，通過柵極極化狀態（±Pr）實現對來自源-漏電流的調制，使它明顯增大或減小，根據源-漏電流的相對大小即可讀出所存儲的信息，而無需使柵極的極化狀態反轉，因此它的讀出方式是非破壞性的。這是一種比較理想的存儲方式。但這種鐵電存儲器尚處于實驗室研究階段，還不能達到實用程度。

2.2 磁性隨機存儲器（MRAM）

從原理上講，MRAM的設計是非常誘人的，它通過控制鐵磁體中的電子旋轉方向來達到改變讀取電流大小的目的，從而使其具備二進制數據存儲能力。它擁有靜態隨機存儲器（SRAM）的高速讀取寫入能力，以及動態隨機存儲器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以無限次地重復寫入。

寫入操作通過磁隧道結中自由層的磁化翻轉來實現。早期的MRAM直接采用磁場寫入方式，這種寫入方式要求位線（或字線）產生的磁場足夠大以至于能夠有效地減小字線方向上的矯頑場，但同時也要足夠小以避免同一條位線上的其余磁隧道結被誤寫入，由于工藝偏差的存在，所允許寫入的磁場范圍非常有限。

2.3 相變存儲器（OUM）

奧弗辛斯基首次描述了基于相變理論的存儲器：材料由非晶體狀態變成晶體，再變回非晶體的過程中，其非晶體和晶體狀態呈現不同的反光特性和電阻特性，因此可以利用非晶態和晶態分別代表“0”和“1”來存儲數據。這一學說稱為奧弗辛斯基電子效應。相變存儲器是基于奧弗辛斯基效應的元件。

從理論上來說，OUM的優點在于產品體積較小、成本低、可直接寫入（即在寫入資料時不需要將原有資料抹除）和制造簡單，只需在現有的CMOS工藝上增加2～4次掩膜工序就能制造出來。但OUM的讀寫速度和次數不如 FeRAM 和MRAM，同時如何穩定維持其驅動溫度也是一個技術難題。OUM的存儲單元雖小，但需要的外圍電路面積較大，因此芯片面積反而是OUM的一個頭疼問題。同時從目前來看，OUM的生產成本比Intel預想的要高得多，也成為阻礙其發展的瓶頸之一。

參考文獻

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作者簡介

靳蘊瑤（1998-），女，山西省長治市人，漢，職稱，無，學歷：在讀本科，研究方向：計算機科學與技術，單位：四川大學計算機學院計算機科學與技術系。

（作者單位：四川大學計算機學院計算機科學與技術系）