幾年前，IDC預(yù)測，到2025年，普通人每天將與連接的設(shè)備進(jìn)行4800次交互。從這些傳感器中注入的信息將促進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)，語言處理和人工智能，所有這些都需要快速存儲和更多的計(jì)算能力。下一代內(nèi)存技術(shù)將解決當(dāng)今存儲層次結(jié)構(gòu)中的空白，在需要進(jìn)行實(shí)時(shí)處理的地方提供數(shù)據(jù)。

新興的內(nèi)存技術(shù)有望將大量數(shù)據(jù)保持在處理器附近，而不會導(dǎo)致SRAM和DRAM的高成本或功耗。大多數(shù)都是非易失性的，例如SSD內(nèi)的NAND閃存，并且比連接NVMe的固態(tài)驅(qū)動器快得多。

在這個(gè)由兩部分組成的系列文章的第一個(gè)部分中，我們將研究三種技術(shù)來解決即將出現(xiàn)的大數(shù)據(jù)瓶頸：英特爾的Optane，兩種類型的磁阻RAM（MRAM）和電阻型隨機(jī)存取存儲器（ReRAM） 。第二部分將介紹納米管RAM，鐵電RAM和相變存儲器。

新內(nèi)存技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)

• 英特爾Optane DC持久性內(nèi)存：針對數(shù)據(jù)中心工作負(fù)載進(jìn)行了調(diào)整的非易失性高容量內(nèi)存。可以通過內(nèi)存操作或塊存儲進(jìn)行訪問。
• MRAM：可以完全斷電的非易失性存儲器，然后快速喚醒以在IoT應(yīng)用程序中進(jìn)行快速寫入。
• ReRAM：承諾彌合數(shù)據(jù)中心中DRAM和閃存之間的差距。將整個(gè)數(shù)據(jù)庫存儲在快速，非易失的ReRAM中將徹底改變內(nèi)存計(jì)算。

為大數(shù)據(jù)奠定基礎(chǔ)

問題在于：計(jì)算性能正在以數(shù)據(jù)訪問技術(shù)無法比擬的速度增長。當(dāng)大型并行CPU或?qū)Ｓ玫募铀倨饔帽M了超高速緩存或快速的系統(tǒng)內(nèi)存時(shí)，它們被迫進(jìn)入基于磁盤的慢速存儲，以使字節(jié)緊縮，并磨碎（相對）停止。更大的SRAM高速緩存有助于將熱數(shù)據(jù)保持在手邊，而充足的DRAM為內(nèi)存計(jì)算帶來了奇跡。但是，兩種類型的存儲采購起來都很昂貴。它們本質(zhì)上也是易失的，需要恒定的能力來保留數(shù)據(jù)。添加這兩種方法都不是解決等待實(shí)時(shí)分析的龐大數(shù)據(jù)量的經(jīng)濟(jì)方法。

英特爾非易失性存儲器解決方案事業(yè)部高級副總裁兼總經(jīng)理Rob Crooke總結(jié)了這種基本挑戰(zhàn)：“ DRAM的容量不足以解決當(dāng)今的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析問題，而傳統(tǒng)存儲的速度并不快足夠。”

上圖：新興的內(nèi)存技術(shù)有助于縮小閃存（雖然容量大但相對較慢）與DRAM快（但容量卻受到更多限制）之間的差距。

該公司的Optane技術(shù)適合日益擴(kuò)大的系統(tǒng)內(nèi)存與基于閃存的固態(tài)驅(qū)動器，潛在的增壓分析，人工智能和內(nèi)容交付網(wǎng)絡(luò)之間的差距。DRAM非常適合內(nèi)存處理，但容量也有限。SSD可以擴(kuò)展到大規(guī)模部署，每GB的成本要低得多。他們只是沒有實(shí)時(shí)事務(wù)操作的性能。Optane旨在橋接這兩個(gè)世界。

Optane 采用獨(dú)特的架構(gòu)，該架構(gòu)由堆疊在密集的三維矩陣中的可單獨(dú)尋址的存儲單元組成。英特爾并未對其基于Optane的設(shè)備中的技術(shù)進(jìn)行具體說明。但是，我們確實(shí)知道Optane可以像DRAM或SSD一樣工作，具體取決于其配置。

上圖：英特爾的Optane DC永久存儲模塊插入主板的DIMM插槽中，可添加128GB至512GB的高速非易失性存儲。

英特爾的Optane DC持久性內(nèi)存放入連接到CPU內(nèi)存控制器的標(biāo)準(zhǔn)DIMM插槽中。它最大可提供512GB的容量，可容納的數(shù)據(jù)量是最大DDR4模塊的幾倍。斷電時(shí)，有關(guān)在App Direct模式下運(yùn)行的Optane DC永久內(nèi)存DIMM的信息將保留。相反，諸如DRAM之類的易失性存儲技術(shù)如果不經(jīng)常刷新，則會迅速丟失數(shù)據(jù)。軟件確實(shí)需要針對英特爾的技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。但是，正確的調(diào)整允許性能受限的應(yīng)用程序以低延遲的內(nèi)存操作訪問Optane DC永久內(nèi)存。

另外，也可以在內(nèi)存模式下使用DIMM，將它們與易失性內(nèi)存共存以擴(kuò)展容量。無需重寫軟件即可在內(nèi)存模式下部署Optane DC永久內(nèi)存。

該技術(shù)也可以在英特爾所謂的“應(yīng)用程序直接存儲模式”中使用，在該模式下，可以通過標(biāo)準(zhǔn)文件API訪問永久內(nèi)存地址空間。期望塊存儲的應(yīng)用程序可以訪問Optane DC永久存儲模塊的App Direct區(qū)域，而無需進(jìn)行任何特殊優(yōu)化。與通過I / O總線移動數(shù)據(jù)相比，這樣做的好處是性能更高。

無論應(yīng)用程序如何使用Optane DC持久性存儲器，該技術(shù)的優(yōu)勢都一樣：容量，性能和持久性。內(nèi)存占用量大的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用程序（認(rèn)為云和基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)）是直接受益者。內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，存儲緩存層和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化也是如此。

MRAM在邊緣顯示出希望

Optane主要針對數(shù)據(jù)中心，而磁阻RAM或MRAM在各種IoT設(shè)備上都顯示出了希望 — IDC表示，傳感器將很快每天接觸數(shù)千次。

請考慮應(yīng)用材料部門內(nèi)存部門總經(jīng)理Mahendra Pakala博士的博客文章中的示例。它使用具有語音和面部識別功能的安全攝像機(jī)作為MRAM工作良好的示例。您希望該攝像機(jī)在邊緣處理盡可能多的數(shù)據(jù)，并且僅將重要的信息上傳到云中。但是，功耗至關(guān)重要。根據(jù)Pakala博士的說法，當(dāng)今的邊緣設(shè)備主要采用SRAM存儲器，每個(gè)單元最多使用六個(gè)晶體管，并且會遭受高有源泄漏功率，從而降低了效率。“作為替代方案，MRAM承諾將晶體管密度提高幾倍，從而實(shí)現(xiàn)更高的存儲密度或更小的管芯尺寸。”更大的容量，更緊湊的芯片以及更低的功耗，對于任何在邊緣進(jìn)行處理的人來說都是一個(gè)勝利。

MRAM中的數(shù)據(jù)由由一對鐵磁板形成的磁性元件存儲，并由薄的電介質(zhì)隧穿絕緣子隔開。一個(gè)極板的極性被永久設(shè)置，而另一極的磁化強(qiáng)度改變以存儲零和一。這些板一起形成磁隧道結(jié)（MTJ）。這些成為存儲設(shè)備的基礎(chǔ)。

像Optane DC永久性存儲器一樣，MRAM是非易失性的。Everspin Technologies是MRAM技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者之一，該公司表示，存儲在其Toggle MRAM中的數(shù)據(jù)在溫度下可持續(xù)使用20年。MRAM也非常快。Everspin聲稱同步讀寫延遲在35ns范圍內(nèi)。這接近于SRAM夸張的性能，從而使MRAM幾乎可以替代當(dāng)今的任何易失性存儲器。

密度是傳統(tǒng)MRAM缺少DRAM和閃存的地方。Everspin 最近宣布了一種32Mb設(shè)備。但是相比之下，最大的每單元四位NAND部件提供4Tb的密度。MRAM在物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)應(yīng)用中脫穎而出的更多原因是，MRAM的性能，持久性和無限的耐久性足以彌補(bǔ)容量不足。

上圖：Everspin的最新1Gb自旋轉(zhuǎn)移扭矩MRAM器件面向需要高容量，低延遲和持久性的企業(yè)和計(jì)算應(yīng)用。

自旋傳遞扭矩（STT-MRAM）是磁阻技術(shù)的一種變體，通過用極化電流操縱電子自旋來工作。與Toggle MRAM相比，其機(jī)制所需的開關(guān)能量更少，從而降低了功耗。STT-MRAM也具有更大的可擴(kuò)展性。Everspin的獨(dú)立設(shè)備提供256Mb和1Gb密度。像Phison這樣的公司可以將其中之一放在其閃存控制器旁邊，并獲得出色的緩存性能，并具有掉電保護(hù)的額外優(yōu)勢。您無需擔(dān)心購買帶有內(nèi)置電池備份的SSD。進(jìn)行中的數(shù)據(jù)傳輸始終將是安全的，即使在意外關(guān)閉的情況下。

英特爾，臺積電和聯(lián)電等代工廠對STT-MRAM感興趣的另一個(gè)目的是：他們希望將其嵌入其微控制器中。這些設(shè)計(jì)中目前使用的NOR閃存很難擴(kuò)展到較小的制造節(jié)點(diǎn)，而MRAM的集成更經(jīng)濟(jì)。實(shí)際上，英特爾已經(jīng)發(fā)表了一篇論文，展示了其22nm FinFET低功耗工藝與生產(chǎn)就緒的7.2Mb MRAM陣列。該公司表示，MRAM作為嵌入式非易失性存儲器是具有片上啟動數(shù)據(jù)要求的IoT，FPGA和芯片組的潛在解決方案。

ReRAM可能是內(nèi)存中計(jì)算的答案

在宣布成功將MRAM與22FFL制造集成后的幾個(gè)月，英特爾在國際固態(tài)電路會議上作了介紹，介紹了一個(gè)嵌入有相同處理節(jié)點(diǎn)的3.6Mb電阻式隨機(jī)存取存儲器（ReRAM）宏。

ReRAM是另一種類型的非易失性存儲器，聲稱具有低功耗，高密度的性能，可將其置于DRAM和基于閃存的存儲之間。但是，盡管MRAM的特性預(yù)示了IoT設(shè)備的生命，但ReRAM正在為數(shù)據(jù)中心事業(yè)做準(zhǔn)備，以縮小服務(wù)器內(nèi)存和SSD之間的差距。

上圖：Crossbar的ReRAM技術(shù)：兩個(gè)電極之間的電介質(zhì)中的納米纖絲通過不同的電壓電平形成和復(fù)位，從而形成了低電阻和高電阻路徑。

多家公司正在開發(fā)使用多種材料的ReRAM。例如，Crossbar的ReRAM技術(shù)采用了夾在頂部和底部電極之間的硅基開關(guān)材料。當(dāng)在電極之間施加電壓時(shí)，納米絲會在電介質(zhì)中形成，從而形成低電阻路徑。然后可以通過另一個(gè)電壓將燈絲復(fù)位。英特爾在氧氣交換層下使用了氧化鉭高κ電介質(zhì)，從而在其電極之間產(chǎn)生了空位。這兩個(gè)單元的組成不同，但執(zhí)行相同的功能，與NAND閃存相比，提供了快許多倍的讀取和寫入性能。

應(yīng)用材料公司的Pakala博士說，ReRAM似乎是內(nèi)存計(jì)算中最可行的存儲技術(shù)，其中數(shù)據(jù)保存在RAM中而不是磁盤中的數(shù)據(jù)庫中。“通過利用歐姆定律和基爾霍夫定律，可以在陣列內(nèi)完成矩陣乘法，而無需將權(quán)重移入或移出芯片。多級單元架構(gòu)有望將存儲密度提高到一個(gè)新的水平，從而可以設(shè)計(jì)和使用更大的模型。”在DRAM中處理這些模型的成本非常高，這就是為什么ReRAM的成本優(yōu)勢如此令人鼓舞的原因。

上圖：CrossBar的ReRAM可以嵌入SoC中，以實(shí)現(xiàn)板載快速，非易失性存儲。

最好的還在后頭

從工廠車間到數(shù)據(jù)中心，要充分利用計(jì)算資源而又不花很多錢，就需要一種全新的存儲方法。Energias市場研究公司預(yù)計(jì)，從現(xiàn)在到2025年，MRAM市場將快速增長，在復(fù)合年增長率為49.6％之后，將達(dá)到12億美元。Coughlin Associates預(yù)測，到2028年，作為Optane核心技術(shù)的3D XPoint存儲器將推動收入超過160億美元。顯然，存在對解決閃存，DRAM和SRAM即將到來的限制的新存儲器的需求。

也不必只有一個(gè)獲勝者。這三種新興內(nèi)存類型可能共存于存儲層次結(jié)構(gòu)的各個(gè)級別，并具有一個(gè)共同的目標(biāo)：確保即將來臨的數(shù)據(jù)泛濫不會淹沒現(xiàn)有的訪問技術(shù)。帶有第二代Xeon可擴(kuò)展處理器的服務(wù)器中，英特爾的Optane DC持久性內(nèi)存已經(jīng)非常豐富。MRAM與SSD控制器一起用于代替DRAM的寫緩存。由于應(yīng)用材料公司的Endura Impulse PV大批量生產(chǎn)系統(tǒng)，ReRAM比以往任何時(shí)候都更具可行性。如果您認(rèn)真對待處理大量數(shù)據(jù)，那么未來五年將至關(guān)重要。現(xiàn)在是時(shí)候開始權(quán)衡您的選擇了。