新型存儲介質(zhì)

摘 要：眾所周知，在傳統(tǒng)的計算機體系結(jié)構(gòu)中，內(nèi)存架構(gòu)是層級制的。從片上的寄存器內(nèi)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(shù)目上有所不同，但大體結(jié)構(gòu)并無二致。由于存在寄存器內(nèi)存-高速緩存-主存-硬盤存儲器這樣的從上到下的層級結(jié)構(gòu)，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(shè)計和制造者追求的永恒目標。根據(jù)這一目標，人們研究各種存儲技術(shù)，以滿足應(yīng)用的需求。本文對目前幾種比較有競爭力和發(fā)展?jié)摿Φ男滦痛鎯橘|(zhì)做了一個簡單的介紹。

關(guān)鍵詞：存儲介質(zhì)；新型

由于CPU芯片大小的固有限制，寄存器內(nèi)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(shù)的進步和成熟，DRAM已經(jīng)從從2GB發(fā)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(nèi)存計算技術(shù)的興起，越來越多的應(yīng)用需要將更多數(shù)據(jù)放入內(nèi)存中進行操作，內(nèi)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(nèi)存存儲空間成為了一個極具挑戰(zhàn)力的課題。

1scm介質(zhì)

SCM（Storage Class Memory）是當前業(yè)界非常熱門的新介質(zhì)形態(tài)，同時具備持久化和快速字節(jié)級訪問的特點。SCM介質(zhì)的訪問時延普遍小于1μs，沒有NAND Flash順序?qū)懭牒蛯懬安脸募s束，操作過程更簡單；SCM介質(zhì)的在壽命和數(shù)據(jù)保持能力方面的表現(xiàn)也遠超NAND Flash。基于這些特點，業(yè)界普遍認為SCM會成為顛覆存儲系統(tǒng)設(shè)計的新一代介質(zhì)，并優(yōu)先應(yīng)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(tài)和非晶態(tài)下的導(dǎo)電性差異來表示0或者1的狀態(tài)。

缺點是對于高溫比較敏感，PCM可用于Cache加速場景和大內(nèi)存應(yīng)用場景，由于其壽命和內(nèi)存仍有一定差距，因此需要在系統(tǒng)設(shè)計上針對PCM進行優(yōu)化以避免“寫穿”。但結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)大容量和低成本。

主要用于Cache加速和Cache內(nèi)存應(yīng)用，考慮到PRAM的成熟度、對熱度敏感和寫穿透等因素，在應(yīng)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(yīng)用資源池；其典型代表為Intel和Micron聯(lián)合研發(fā)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(nèi)部導(dǎo)電絲的形成和熔斷對外呈現(xiàn)不同的阻抗值。

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

主要應(yīng)用于高速的數(shù)據(jù)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(tài)。

它的缺點很明顯，工藝成熟度低，實際產(chǎn)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(cè)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(guān)，控制電路通斷表示不同的數(shù)據(jù)狀態(tài)。

它的缺點是工藝成熟度低，實際產(chǎn)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(yōu)秀，理論功耗也比較低，具有極強的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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

2非易失存儲器（NVM）

非易失性存儲器是指當電流關(guān)掉后，所存儲的數(shù)據(jù)不會消失者的電腦存儲器。非易失性存儲器中，依存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)是否能在使用電腦時隨時改寫為標準。分為二大類產(chǎn)品，即ROM和Flash memory。當然，NVM并不是指某種特定的硬件介質(zhì)內(nèi)存，而是針對具有非易失特性的內(nèi)存的統(tǒng)稱。目前有幾種比較具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦头且资源鎯ζ鳌?/p>

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(nèi)容的非易失存儲器，具有高速、高密度、低功耗和抗輻射等優(yōu)點。當前應(yīng)用于存儲器的鐵電材料主要有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)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(shù)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(tài)（±Pr）實現(xiàn)對來自源-漏電流的調(diào)制，使它明顯增大或減小，根據(jù)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(tài)反轉(zhuǎn)，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(shè)計是非常誘人的，它通過控制鐵磁體中的電子旋轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)存儲能力。它擁有靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）的高速讀取寫入能力，以及動態(tài)隨機存儲器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以無限次地重復(fù)寫入。

寫入操作通過磁隧道結(jié)中自由層的磁化翻轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。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(chǎn)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(jié)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(tài)變成晶體，再變回非晶體的過程中，其非晶體和晶體狀態(tài)呈現(xiàn)不同的反光特性和電阻特性，因此可以利用非晶態(tài)和晶態(tài)分別代表“0”和“1”來存儲數(shù)據(jù)。這一學說稱為奧弗辛斯基電子效應(yīng)。相變存儲器是基于奧弗辛斯基效應(yīng)的元件。

從理論上來說，OUM的優(yōu)點在于產(chǎn)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(xiàn)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(shù)不如 FeRAM 和MRAM，同時如何穩(wěn)定維持其驅(qū)動溫度也是一個技術(shù)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(chǎn)成本比Intel預(yù)想的要高得多，也成為阻礙其發(fā)展的瓶頸之一。

參考文獻

[1]嚴華兵 存儲與數(shù)據(jù)技術(shù)

[2]梁日泉 基于STT-MRAM的高速cache設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安電子科技大學，2016.

[3]趙巍勝，王昭昊，彭守仲，王樂知，常亮，張有光.STT-MRAM存儲器的研究進展[J].中國科學：物理學 力學 天文學，2016，46（10）：70-90.

[4]T.P.Ma and Jin-PINg Han，Why is Nonvolatile FerroeleCTRIC Memory FiELD-Effect Transistor Still Elusive？ IEEE Electron Device Letters 2002

[5]Linda Geppert，The New Indelible Memories，IEEE Spectrum 2003

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(shù)，單位：四川大學計算機學院計算機科學與技術(shù)系。

（作者單位：四川大學計算機學院計算機科學與技術(shù)系）