[据下一个大未来网站2016年8月31日报道]Nantero、富士通半导体公司和米氏富士通半导体公司宣布达成协议,富士通公司和米氏富士通公司可利用Nantero公司的碳纳米管非易失性随机存储器技术,并将联合开发55纳米工艺的碳纳米管非易失性随机存储器产品。

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有消息称,中芯国际与Crossbar合作研发的ReRAM(非易失性阻变式存储器)已经在中芯国际正式投入生产!

三家公司发展碳纳米管非易失性随机存储器的目标,是要在改写速度和改写次数方面比嵌入式闪存高出数千倍,使其具备取代动态随机存储器的能力。

来源:内容由半导体行业观察编译自「venturebeat」,作者:CHRIS
ANGELINI,谢谢。

8月15日消息,经过多年的研发后,几种新一代存储器类型正在崛起。今天,如3D
XPoint、MRAM,相变存储器和ReRAM,都在不同程度上发货。下一代存储器中,一部分是它们的扩展,一部分是基于全新技术或涉及架构的变更,例如近距离或内存计算。但是,将其中任何一个推出研发都需要克服许多技术和业务障碍,并且所有这些障碍都不太可能成功。但有些是特别有希望的,可能有望取代今天的DRAM,NAND和SRAM。

Crossbar公司成立于2010年,拿到了包括中国北极光创投在内提供的8000万美元风投,2016年3月宣布与中芯国际达成合作,发力中国市场,中芯国际将采用自家的40nm
CMOS工艺试产ReRAM芯片。ReRAM代表电阻式RAM,是将DRAM的读写速度与NAND的非易失性集于一身的新一代存储技术,关闭电源后仍能保存数据。如果ReRAM有足够大的空间,一台配备ReRAM的计算机将几乎不再需要载入时间。

富士通半导体公司计划在2018年年底前开发出嵌入式、定制化的碳纳米管非易失性随机存储器大规模集成电路芯片,随后将研制独立式的碳纳米管非易失性随机存储器。米氏富士通半导体公司是一家经营纯代工业务的公司,将向其代工客户提供碳纳米管非易失性随机存储器技术。

几年前,IDC预测,到2025年,普通人每天与联网设备的互动次数将达到4800次。从这些传感器涌入的信息将推动机器学习、语言处理和人工智能,所有这些都需要快速存储和更大的计算能力。下一代内存技术将解决当前存储层次结构中的缺陷,将数据交付到需要实时处理的地方。

那么,下一代存储器类型包括什么呢?

ReRAM的名字中虽然带有RAM,但机制和用途其实更像NAND闪存,主要用作数据存储。

富士通半导体公司系统存储部门副总Masato
Matsumiya表示:“采用Nantero公司碳纳米管技术非易失性存储器是对传统存储器技术的超越式发展。富士通半导体公司自上世纪90年代以来即开始设计和生产铁电非易失性随机存储器,是少数拥有集成铁电随机存储器设计
和生产能力的企业之一。富士通半导体公司将利用相关经验和技能开发碳纳米管非易失性随机存储器。Nantero公司的技术和富士通半导体公司的设计与生产能力相结合,有望满足客户长期以来对具有更高密度、更快速度、更高能量效率以及更多改写周期的非易失性存储器的需求”。

新兴的存储器技术保证了在没有SRAM和DRAM的高成本或功耗的情况下,将大量数据保持在离处理器更近的位置。大多数都是非易失性的,就像SSD内部的NAND闪存,而且比NVMe附加的固态硬盘快得多。

FeFET或FeRAM:下一代铁电存储器。

ReRAM的性能十分彪悍,号称存储密度比DRAM内存高40倍,读取速度快100倍,写入速度快1000倍,耐久度高1000倍,200平方毫米左右的单芯片即可实现TB级存储,还具备结构简单、易于制造等优点。

Nantero公司的碳纳米管非易失性随机存储器技术具有更高的存储密度和随机访问性能,有望扩大米氏富士通半导体公司的嵌入式非易失性存储器产品生产线生产能力,而这是富士通半导体公司业务的重点。

在本文里,我们将研究六种新型存储技术,它们可以解决即将到来的大数据瓶颈。当中主要介绍了英特尔的Optane、两种类型的磁阻RAM和电阻随机存取存储器、纳米管RAM、铁电RAM和相变存储器。
首先我们看一下新内存技术的主要优点:

纳米管RAM:在研发方面,纳米管RAM的目标是取代DRAM。

与传统的NAND闪存相比,ReRAM速度快的多,位元可修改,并且所需电压更低,这都使得它可以被应用于嵌入式和SSD设备之中。

碳纳米管非易失性存储器具有高存储密度和高访问速度,能够超越传统存储器技术的局限和能力,实现存储器性能的持续演进,具有独一无二的地位。

Intel Optane DC持久内存:
针对数据中心工作负载调整的非易失性高容量内存。可通过内存操作或块存储访问。

相变存储器:在发布第一批PCM设备后,英特尔正在准备新版本。

而且不同于NAND闪存对于更新工艺的不适应,ReRAM的扩展性更好,远景可以做到5nm。

计算机存储器市场每年价值约为850亿美元。其中,嵌入式存储器市场每年价值约为100亿美元;DRAM存储器市场每年价值约为450亿美元;闪存市场每年价值约为300亿美元。

MRAM:非易失性存储器,可以完全断电,然后快速唤醒,以便在物联网应用程序中进行快速写入。

ReRAM:未来的版本定位于AI应用程序。

另外,更先进的28nm ReRAM芯片也将在2017年上半年问世。

Nantero公司希望其新型存储器的价格最终仅为DRAM存储器的一半,存取速度和DRAM存储器相同,比闪存的存取速度快1000倍。新型存储器将采用多层单元设计实现更高的存储密度。在计算机存储器领域取得支配地位后,Nantero公司将开发用于计算机逻辑电路的碳纳米管晶体管。

ReRAM:承诺将在数据中心的DRAM和flash之间架起一座桥梁。整个数据库存储在快速、非易失性的ReRAM中将彻底改变内存计算。

自旋轨道转矩MRAM:旨在取代SRAM的下一代MRAM。

碳纳米管存储器也能应用于5纳米工艺节点。这种新型存储器能够推动计算机性能增长20年。其电压为1伏特,可以持续存取1000亿个周期。

纳米管RAM:非易失性存储器,具有DRAM级的性能和令人难以置信的数据保留能力。与DDR协议的兼容性意味着我们可以看到配备NRAM的DIMM能够插入内存插槽。

在垂直方向上进行了额外的努力。例如,一些人正在开发3D
SRAM,它将逻辑上的SRAM堆叠为平面SRAM的潜在替代品。

存储的非易失性和长达数月的待机时间,将意味着新型存储器能够完美支持物联网和数万亿的传感器。

相变存储器:与当今的NAND闪存类似,相变存储器是非易失性的。具有更好的写入性能,出色的耐久性和更低的功耗的潜力。

“我们开始看到这些新兴或下一代存储器表现出足够大的吸引力,但它们仍处于早期发展阶段,”
Lam Research的高级技术总监Alex
Yoon说。“SOT和FeRAM很有前景。但是,是否需要它将更多地取决于经济学。“

Nantero公司的新型存储器兼容于DDR4
DRAM存储器。2016年中期可以实现数吉比特的设计原型,2017年中期将推出产品。该存储器晶体管的开态和关态之间的阻抗相差上万倍。这将使多阻态存储器成为可能,使存储密度更高、成本更低。

铁电RAM:尽管它的密度很低,但在数据持久性、低功耗和几乎无限写持久性的应用中,它是SRAM的一个可行替代品。

另一方面,下一代存储器正面临着诸多挑战。“新材料,存储概念和材料技术的新存储类型爆炸式增长,”
KLA 主要产量顾问Scott
Hoover说。“这在材料和结构表征领域提出了重大挑战。我们很有可能通过我们表征,测量,控制和改进独特材料和结构的能力来控制技术进步和基本理解的节奏。“

Nantero公司的碳纳米管非易失性存储器:存储器的未来

为大数据做准备

总而言之,当前和未来的下一代存储器可能会找到一个利基市场,但它们不会占据主导地位。“未来5到10年内,作为独立产品,新兴内存预计不会对现有的NAND或DRAM市场造成重大影响,”Hoover说。

新一代存储器比闪存要快上百倍,能够提供数太比特的存储能力,而消耗的功率极小,有望改变电子技术的未来。Nantero公司的碳纳米管非易失性存储器具有上述全部特性。能够作为嵌入式和独立式存储器,该公司也向主要的芯片制造公司、代工厂和全世界的电子公司提供相关技术知识产权的使用许可。

计算性能的增长速度是数据访问技术无法比拟的。当大规模并行CPU或专门构建的加速器耗尽超高速缓存或高速系统内存时,它们被迫进入基于磁盘的慢速存储,以获取字节,并逐渐停止。更大的SRAM缓存有助于保持热数据在手边,丰富的DRAM为内存计算创造奇迹。然而,这两种类型的存储都很昂贵。它们本质上也是不稳定的,我们需要探索更好的方式来保存数据。而通过增加这两种存储的方法来解决等待实时分析的庞大数据量的方法都是不经济。

替换SRAM的方式

梅高美 ,该公司的产品能够用于广泛的消费类电子产品、移动计算产品、可穿戴产品、物联网产品、企业存储产品、政府和军事类产品、宇航级产品和车用电子产品,能够提供相对于其他存储器技术的性能优势,主要包括:

英特尔非易失性内存解决方案部门的高级副总裁兼总经理Rob
Crooke这样总结了基本的挑战:“DRAM不足以解决当今的实时数据分析问题,传统的存储速度又不够快。”

今天的系统集成了处理器,图形以及内存和存储,通常称为内存/存储层次结构。在今天的第一层,SRAM
被集成到处理器中以实现快速数据访问。DRAM
是下一层,是独立的,用于主存储器。磁盘驱动器和基于NAND的固态存储驱动器用于存储。

CMOS兼容性:无需新设备即可在标准CMOS工厂生产。

上图:新兴的存储技术有助于缩小flash和DRAM之间的差距,前者容量大但速度相对较慢,而DRAM速度快但容量有限。

普适数据和计算资源的新兴内存:应用材料

无限制的可扩展性:未来可微细化至5纳米工艺节点一下。

据介绍,该公司的Optane技术适用于拉近系统内存和基于闪存的固态硬盘之间日益增长的差距,可能会增强分析、人工智能和内容交付网络。DRAM非常适合内存处理,但它的容量也有限。当固态硬盘扩展到大规模部署时,每千兆字节的SSD成本要低得多。它们只是没有实时事务操作的性能。而Optane被设计来“连接这两个世界”。

DRAM和NAND正在努力跟上系统的带宽和/或功耗要求。DRAM很便宜,但耗电。DRAM也是易失性的,这意味着当系统中的电源关闭时它会丢失数据。与此同时,NAND价格便宜且非易失性,它在系统关闭时保留数据,但NAND和磁盘驱动器速度很慢。

长寿命:已经证明其可工作周期次数可比闪存高多个数量级。

Optane采用独特的架构,该架构由堆叠在密集的三维矩阵中的可单独寻址的存储单元组成。英特尔并未透露其基于Optane打造的设备中使用的技术的具体信息。但是,我们确实知道Optane可以像DRAM或SSD一样工作,而这具体取决于其配置。

因此多年来,业界一直在寻找具有与DRAM和NAND相同属性的“通用存储器”,并且可以取代它们。竞争者是MRAM,PCM和ReRAM。新的存储器带来了一些大胆的主张。例如,STT-MRAM具有SRAM的速度和闪存的无波动性,具有无限的耐用性。与NAND相比,ReRAM具备速度快,bit可变等特性。

读写速度快:保持的数据可在85℃保存1000年以上,或者在300℃保存10年以上。

上图:英特尔的Optane
DC永久性内存模块放入主板的DIMM插槽中,可添加128GB至512GB的高速非易失性存储。

然而,今天该行业仍在寻找通用记忆。“对于技术开发人员来说,我们一直在想象有一天,某种类型的通用内存将同时取代SRAM,DRAM和闪存,”
联华电子 产品营销总监David Hideo
Uriu表示。“下一代存储器仍然无法取代任何传统存储器,但它们可以结合传统的记忆优势来满足对利基市场的需求。”

低功耗:待机模式零功耗,工作时每位写能量比闪存低160倍。

英特尔的Optane
DC持久性内存放入连接到CPU内存控制器的标准DIMM插槽中。它最大可提供512GB的容量,可容纳的数据量是最大DDR4模块的几倍。断电时,在App
Direct模式下运行的Optane
DC永久内存DIMM的有关信息将保留。相反,诸如DRAM之类的易失性存储技术如果不经常刷新,则会迅速丢失数据。软件确实需要针对英特尔的技术进行优化。但是,正确的调整可以让性能受限的应用程序以低延迟的内存操作访问Optane
DC永久内存。

一段时间以来,MRAM
,PCM和ReRAM一直在出货,主要是针对利基市场。因此DRAM,NAND和SRAM仍然是主流存储器。

低成本:结构简单,能够以三维多层或多层单元形式制造。

另外,也可以在内存模式下使用DIMM,将它们与易失性内存共存以扩展容量。无需重写软件即可在“内存模式”下部署Optane
DC永久内存。

但在研发方面,业界正在研究几种新技术,包括潜在的SRAM替代品。通常,处理器集成了CPU,SRAM和各种其他功能。SRAM存储处理器快速需要的指令。这称为1级高速缓存。在操作中,处理器将询问L1高速缓存的指令,但CPU有时会错过它们。因此处理器还集成了二级和三级缓存,称为二级和三级缓存。

这项技术也可以用于英特尔所谓的“应用程序直接存储”模式,在这种模式下,可以通过标准的文件API访问持久内存地址空间。希望使用块存储的应用程序可以直接访问Optane
DC持久存储模块的应用程序区域,而不需要进行任何特殊的优化。与在I/O总线上移动数据相比,这样做的好处是提高了性能。
不管应用程序如何使用Optane
DC永久存储器,该技术的优势都一样:容量,性能和持久性。内存占用量大的数据中心应用程序是直接受益者。内存数据库,存储缓存层和网络功能虚拟化也是如此。

基于SRAM的L1缓存速度很快,延迟不到一纳秒,但SRAM在芯片上占用太多空间。“SRAM在单元尺寸方面面临挑战。当您扩展到7nm时,单元尺寸为500F2,“应用材料公司记忆组的常务董事Mahendra
Pakala说。

MRAM在边缘展现出优势

多年来,业界一直在寻求取代SRAM。其中之一包括自旋转移力矩MRAM
。STT-MRAM具有SRAM的速度和闪存的无波动性,具有无限的耐用性。

Optane的主要目标是数据中心,而磁阻存储器(MRAM)在很多物联网设备上都有应用前景。

STT-MRAM的MJT细胞。资料来源:Lam Research

让我们来看看应用材料公司记忆组的常务董事Mahendra
Pakala博士的一篇博客文章中的一个例子。它使用了一个带有语音和面部识别的安全摄像头,作为MRAM良好工作的一个例子。你希望摄像头在边缘处理尽可能多的数据,只上传对云计算有意义的信息。然而,功耗成为当中一个最受关注的问题。但Pakala博士表示,如今的边缘设备主要使用的是SRAM存储器,这种存储器每个cell最多可使用6个晶体管,而且可能会受到高有源漏电功率的影响,从而影响效率。作为一种替代方案,MRAM可以将使晶体管密度提高数倍,从而实现更高的存储密度或更小的芯片尺寸。更大的容量,更紧凑的芯片,更低的功耗,听起来像是所有处于边缘处理器的胜利。

STT-MRAM是具有磁隧道结存储器单元的单晶体管架构。它利用电子自旋的磁性在芯片中提供非挥发性特性。写入和读取功能在MTJ单元中共享相同的并行路径。

MRAM中的数据是由一对铁磁板形成的磁性元件来存储的,这对铁磁板之间由薄的介电隧道绝缘体隔开。其中一个板块的极性是永久性的,而另一个板块的磁化强度会改变,以存储0和1。这些板块在一起形成了一个磁性隧道结(MTJ),组成内存设备的构件。

Everspin已经为SSD提供SST-MRAM设备。此外,一些芯片制造商正专注于嵌入式STT-MRAM,它分为两个市场,嵌入式闪存替代和缓存。

与Optane一样,MRAM也是非易失性的。Everspin
Technologies是MRAM技术的领导者之一,该公司表示,存储在其Toggle
MRAM中的数据在常温下可以保存20年。MRAM也非常快。Everspin声称同时读写延迟在35ns范围内。这接近于SRAM所“吹嘘”的性能,使得MRAM成为当今几乎所有易失性存储器的有吸引力的替代品。
与传统的DRAM和闪存相比,MRAM的一个明显差距在其容量方面。如Everspin最近发布了一个32Mb的设备。但相比之下,最大的每单元4位的NAND部件提供了4Tb的密度。但MRAM更有理由在物联网和工业应用领域脱颖而出,因为其性能、持久性和无限的续航能力足以弥补其容量的不足。

为此,STT-MRAM正准备取代嵌入式NOR闪存芯片。此外,STT-MRAM旨在取代SRAM,至少用于L3缓存。“STT-MRAM正在不断发展,以更密集地嵌入到SoC中,其更小的单元尺寸,更低的待机功率要求和非易失性提供了一个引人注目的价值主张,针对用作通用板载存储器和最后级别的大得多且易变的SRAM缓存,“
Veeco 先进沉积和蚀刻营销总监Javier Banos说。

上图:Everspin最新的1Gb spin-transfer torque
MRAM设备针对的是需要高容量、低延迟和持久性的企业和计算应用程序。

但STT-MRAM的速度还不足以取代SRAM用于L1和/或L2缓存,还包括稳定性。“我们相信STT-MRAM,访问时间将在5ns到10ns之间饱和,”Applied的Pakala表示。“当你进入L1和L2缓存时,我们相信你需要去SOT-MRAM。”

STT-MRAM则是磁阻技术(magneto-resistive)的一种变体,其工作原理是利用极化电流(polarizing
current)操纵电子自旋。它的机制比切换MRAMs需要更少的转换能量,从而降低了功耗。STT-MRAM也具有更好的可伸缩性。Everspin的独立MRAM有256Mb和1Gb的密度。像Phison这样的公司可以将其中的一个放到flash控制器旁边,并获得惊人的缓存性能和额外的断电保护。你不必担心购买内置电池备份的SSD。进行中的数据传输始终将是安全的,即使在意外停机的情况下也是如此。

类似于STT-MRAM,SOT-MRAM仍处于研发阶段。不同之处在于,SOT-MRAM在器件下集成了SOT层。根据Imec,它通过在相邻的SOT层中注入面内电流来引起层的切换。

英特尔、台积电和联电等代工厂对STT-MRAM感兴趣的另一个目的是:他们希望将其嵌入微控制器中。这些设计中目前使用的NOR闪存很难扩展到较小的制造节点,而MRAM的集成更经济。实际上,英特尔已经发表了一篇论文,展示了其可将22nm
FinFET低功耗工艺与7.2Mb
MRAM阵列集成的可量产方案。该公司表示,MRAM作为嵌入式非易失性存储器,是具有片上启动数据要求的IoT、FPGA和芯片组的潜在解决方案。

“当你切换STT-MRAM,需要通过MTJ推动当前,”阿尔诺Furnemont,在内存主任IMEC。“在SOT-MRAM中,你有两条路径,一条用于写入,另一条用于读取。读取就像STT。你通读了MTJ。写不是通过MTJ。这是一个很大的好处,因为您可以循环设备并对其进行优化以延长使用寿命。第二大优势是速度。“

ReRAM可能是内存计算的解决方案

今天,SOT-MRAM的最大问题是它只能在50%的时间内切换,这就是它仍处于研发阶段的原因。“与SRAM相比,SOT-MRAM具有潜在的优势,例如由于其非挥发性而具有更高的密度和更低的功耗,”UMC的Uriu说。“SOT-MRAM需要与有意愿的客户一起实施到具有成本效益的应用程序中。”

在宣布成功将MRAM与22FFL制造集成几个月后,英特尔还在国际固态电路会议上发表了一篇演讲,介绍了一种嵌入同一进程节点的3.6Mb电阻随机存取存储器宏。

为了解决这个问题,Imec开发了一种“无场切换”SOT-MRAM。Imec在硬掩模中嵌入铁磁体,形成SOT轨道。这样可以在低功率下快速切换。

ReRAM是另一种类型的非易失性存储器,它宣扬低功耗、高密度以及介于DRAM和闪存之间的性能。然而,MRAM的特性预示着物联网设备的生命,但ReRAM正在为数据中心事业做准备,以缩小服务器内存和SSD之间的差距。

SOT-MRAM还没准备好,事实上,在行业确定它是否可行之前还需要两年或更长时间。

上图:Crossbar的ReRAM技术:在两个电极之间的电介质中形成纳米薄膜,并通过不同的电压水平进行复位,创建低阻和高阻路径。

与此同时,在研发方面,其他潜在的SRAM替代品即3D SRAM也在进行中。在3D
SRAM中,SRAM管芯堆叠在处理器上并使用硅通孔 连接。

有几家公司正在开发使用多种材料的ReRAM。例如,Crossbar的ReRAM技术使用了一种夹在顶部和底部电极之间的硅基开关材料。当电极之间施加电压时,在电介质中形成nanofilament
,形成低电阻路径。然后filament
可以通过另一个电压复位。英特尔则使用了一种位于氧气交换层下的氧化钽high-K介质,在电极之间创建了空缺。这两个cell在组成上不同,但是执行相同的功能,与NAND闪存相比,具有更快的读写性能。

3D SRAM缩短了处理器和SRAM之间的互连距离,但至于3D
SRAM是否可行,答案只能交给时间。

应用材料公司的Pakala博士则表示
,ReRAM似乎是内存计算中最可行的存储技术,数据保存在RAM中而不是磁盘的数据库中。“可以利用欧姆定律和基尔霍夫定律在阵列内完成矩阵乘法,而无需将权重移入或移出芯片。多级单元架构有望将存储密度提高到一个新的水平,从而可以设计和使用更大的模型。”在DRAM中处理这些模型的成本非常高,这就是ReRAM的成本优势如此令人鼓舞的原因。

替换DRAM的方式

上图:CrossBar的ReRAM可以嵌入SoC中,以实现快速、非易失的板载存储。

像SRAM一样,业界多年来一直在努力取代DRAM。在今天的计算架构中,数据在处理器和DRAM之间移动。但有时这种交换会导致延迟和功耗增加,有时也称为内存墙。

纳米管RAM瞄准DRAM

DRAM在带宽需求方面落后了。此外,DRAM缩放在今天的1xnm节点上正在放缓。

纳米管RAM是一种非易失性存储器,它具有DRAM级的性能和令人难以置信的数据保留能力。与DDR协议的兼容性意味着我们可以看到配备NRAM的DIMM能够插入内存插槽。而由Nantero开发的NRAM是由碳纳米管(CNT)存储单元组成的,它能够以极具竞争力的价格提供极好的性能,数据持久性(如SSD中的NAND闪存),待机模式下的零功耗,以及出色的保存性。

“我们的应用程序需要大量内存。机器学习应用程序使这个问题变得更糟。它们需要大量的内存,“
斯坦福大学 电子工程和计算机科学教授Subhasish
Mitra说。“如果你能把所有的内存都放在芯片上,那是不可思议的。您不必将芯片转移到DRAM并花费大量精力和时间来尝试访问内存。所以我们必须对此采取一些措施。“

上图:CNT存储单元的设置和复位状态由高电阻和低电阻定义,它们对应于1和0。

这里有很多选择:坚持使用DRAM、取代DRAM、将DRAM堆叠成高带宽内存模块,或者转向新的架构。

每个CNT单元由沉积在两个电极之间的数百个碳纳米管组成。在电极之间施加的开关电压迫使管子连接或断开,从而导致电阻变化,该电阻对应于1和0。分子力足以有效地维持这些状态,以使Nantero即使在300°C时也能拥有300多年的数据保留能力。

好消息是DRAM并没有停滞不前,业界正在从今天的DDR4接口标准转向下一代DDR5技术。例如,三星最近推出了一款12Gb
LPDDR5移动DRAM设备。该器件的数据速率为5,500Mb / s,比LPDDR4芯片快1.3倍。

对于与DRAM一样快的持久性内存技术,业务案例并不缺乏。但在今年的存储开发者大会上,Nantero的首席系统架构师Bill
Gervasi让我们领略了NRAM的世界。
“我们的碳纳米管存储器是作为一个交叉点来实现的。我们要做的是取这些交点,然后在它前面放一个DDR4或DDR5
PHY。我们正在做的是把DDR协议转换成我们的内部结构。”

不过,除了DDR5
DRAM之外,原始设备制造商还将拥有其他内存选择。JEDEC的一个工作组正在开发一种新的DDR5
NVRAM规范,该规范最终将使OEM能够将各种新的存储设备放入DDR5插槽而无需修改。“NVRAM规范包括碳纳米管存储器,相变存储器,电阻RAM和理论上的磁性RAM,”Nantero的首席系统架构师Bill
Gervasi说。“我们统一了所有的架构。”

上图:如果内存类存储能够从配备NRAM的DIMM运行所有工作负载,那这项技术的兴起可能就是革命性的

此规范可以使系统中更容易使用新的内存类型,这也是取代DRAM的一种方式。

同时担任JEDEC非易失性存储器委员会主席的格瓦西接着描述了一种使用与DDR要求兼容的技术替代DRAM的技术。这些新模块很快将为完全无存储系统铺平道路。

但是,很难取代DRAM和NAND。它们便宜,经过验证,可以处理大多数任务。此外,他们都有未来改进的路线图。“NAND已有5年多的时间和3代以上的产品。DRAM将在未来5年内缓慢扩展,“MKW
Ventures Consulting负责人Mark
Webb表示。“我们拥有实际可用和运输的坚实新记忆。这些将成长并扩大而非取代DRAM和NAND。“

任何想要在主存中安装应用程序的人都应该对内存类存储的影响感到非常兴奋,特别是因为提出的NVRAM标准增强了DDR5协议,支持每个设备128Tb(或16TB)。特别是对于内存内计算来说,每个DIMM的内存槽会有大量的NRAM。

与之同时,一种新的存储器正在获得动力,即3D XPoint。3D
XPoint于2015年由英特尔推出,基于一项名为PCM
的技术。PCM用于SSD和DIMM,以非晶和结晶相存储信息。

相变存储器:Optane可以证明这是可行的

目前,英特尔正在发售带有3D
XPoint的SSD。尽管如此,围绕两层堆叠架构,英特尔的3D
XPoint器件采用20nm几何尺寸,具有128千兆位密度。“这是一个伟大的存储器,但它并没有取代NAND或DRAM,”MKW的韦伯说。

在前面,我们介绍了Intel的Optane
DC持久内存。但我们没有确定Optane的底层技术,这是被Intel严密保护的。话虽如此,但近两年的行业分析表明,Optane是一种相变存储器(PCM)。由于Optane已经在产生收益,到2029年,其他PCM也很有可能实现进入一个价值高达200亿美元的新兴内存市场。

ReRAM(非易失性阻变式存款和储蓄器State of Qatar已经在中芯国际职业投入临盆。现在,英特尔和美光正在开发将于2020年推出的下一代PCM版本。根据韦伯的说法,下一代3D
XPoint可能会基于20纳米制程技术,但可能有四个堆叠。“我们希望它的密度是密度的两倍。今天,它是128Gbit。我们期待下一代256Gbit,“他说。

图:通过改变温度,可以将硫属化物玻璃置于无定形或结晶状态,从而影响其电阻。

随着PCM的不断发展,其他技术如铁电FET
仍处于研发阶段。“在FeFET存储单元中,铁电绝缘体插入标准MOSFET器件的栅极堆叠中,”铁电存储器首席执行官StefanMüller解释道。

相变技术利用了硫系玻璃的新颖性能。短暂地施加高温,让玻璃冷却,使其进入无定形状态,并具有高电阻。我们再把它加热到一个较低的温度,时间长了之后,合金就会恢复到低电阻的结晶状态。

“与目前使用的标准电介质HfO 2相比,铁电HfO
2显示出永久偶极矩,它以非易失性方式改变晶体管的阈值电压,”Müller说。“通过适当选择读出电压,可以通过晶体管流过高电流或低电流。”

与闪存相比,PCM提供了更好的写入性能。该技术还应提供更高的耐用性,更低的功耗和更快的访问时间,这些都是满足数据密集型计算引擎所需的特性。

FMC和其他公司正在开发嵌入式和独立的FeFET器件。嵌入式FeFET将集成在控制器中。独立设备可以成为新的存储器类型或DRAM替代品。“FeRAM是一种很好的选择,它使用的能量远低于DRAM。但耐力需要提高,“Lam’s
Yoon说。

在2019年闪存峰会的一次演讲中,MKW Ventures咨询公司的Mark
Webb预测,由英特尔以外的公司提出的基于pcm的芯片将在2020年出现。IBM、美光(Micron)、三星(Samsung)、意法半导体(STMicroelectronics)和西部数据(Western
Digital)也都是这一领域的参与者。英特尔可以优化其处理器和架构,最大限度地从Optane的功能中获益,因此它在任何即将到来的战斗中都享有很大的优势。然而,在简化PCM技术方面还有很多工作要做,这可能会加剧竞争。
Abu
Sebastian和他在IBM的研究团队正在探索仅使用一种化学元素-锑来制造更小,更致密,更高效的PCM。尽管他们仍在努力使材料在室温下不会快速结晶,但研究人员认为他们可以增加其保留时间。如果成功,那么确保材料的一致性会变得更加容易,从而有可能提高耐久度。

目前尚不清楚FeFET的发展方向,但这里存在一些挑战。“基于铁电HfO
2的存储器单元可显示超过250°C的数据保持,循环耐久性 10
10次循环,10ns范围内的写入/读取速度,fJ能量消耗以及超出finFET技术节点的可扩展性,”FMC的Müller说。“目前的挑战是将这些指标合并到一个存储设备中,并且并行地合并到数百万个存储单元的阵列中,并且这些存储单元中的每一个必须或多或少地相同地执行。”

FRAM填补了重要位置

同时,多年来,Nantero一直在开发用于嵌入式和DRAM替代应用的碳纳米管RAM。碳纳米管是圆柱形结构,其坚固且导电。仍处于研发阶段,Nantero的NRAM比DRAM更快,非易失性如闪存。但这需要比预期更长的商业化时间。

上文提到的所有存储技术都是非易失性的。然而其他方法提供了创新的方法来使大量持久性数据更接近计算资源,但铁电RAM仅在密度高达8MB的情况下可用。换句话说,您不会很快看到它位于服务器CPU的两侧。

富士通是NRAM的第一个客户,预计将于2019年对部件进行采样,预计将于2020年进行生产。

然而,在持久性(本质上是无限的写持久性)和非常低的功耗优先于成本或容量的应用中,FRAM确实可以发挥作用。Cypress
Semiconductor和富士通(Fujitsu)是FRAM在大容量应用领域的合作伙伴,它们认为智能电表、汽车信息娱乐、可穿戴电子设备和车辆数据记录器是该技术的优势应用领域。

碳纳米管正朝着其他方向移动。2017年,DARPA推出了多个计划,包括3DSoC。麻省理工学院,斯坦福大学和SkyWater是3DSoC计划的合作伙伴,该计划旨在开发将ReRAM堆叠在碳纳米管逻辑之上的单片3D设备。ReRAM基于电阻器元件的电子开关。

上图:锆钛酸铅(PZT)分子中的正电荷离子可能处于两种低能态之一。这形成了FRAMs用来存储数据的铁电性质。

仍处于研发阶段,该技术不是DRAM的替代品。相反,它属于所谓的计算内存类别。目标是使内存和逻辑功能更接近,以缓解系统中的内存瓶颈。

和DRAM一样,FRAM是基于一个晶体管、一个电容的存储单元设计。但是FRAM独特地使用具有铁电性质的材料作为其电容介质。电介质的每个分子中间都有一个带正电荷的离子,它具有两种相等的低能态,可以通过向一个方向或另一个方向施加电场来设置。当电力中断,电压降低时,这些状态保持不变。

斯坦福大学的米特拉说:“你必须考虑进入第三个维度。”
“否则,你怎么把所有东西放在芯片上?”

但是由于存储单元电容器需要保持足够的电荷以用于检测放大器以检测1和0,因此FRAM单元很大。几家公司正在探索具有更好扩展前景的传统FRAM的替代方法。例如,FMC正在使用氧化铪对其进行改性,以赋予材料铁电性能。

目前,3DSoC器件是一种双层3D结构,将ReRAM置于碳纳米管逻辑上。一个四层设备将在年底前到期。目标是到2021年开始生产并提供多项目晶圆运行。

上图:根据FMC,任何逻辑晶体管都可以通过赋予其氧化铪绝缘体铁电特性而转变成存储器。

最近,该集团已将该技术转让给SkyWater。代工厂商计划在200mm晶圆上使用90nm工艺制造器件。“3DSoC架构包括基于碳纳米管的晶体管层。它们采用n和p两种类型制造,以制造CMOS晶体管技术,“SkyWater首席技术官Brad
Ferguson说。“这可以与其他层的ReRAM存储器结合使用,其中包括一个基于CNT的存取晶体管。”

业界仍在努力完善这种所谓的FeFET,但其扩大铁电存储器技术应用范围的潜力正引起关注。如果任何一种逻辑晶体管都能变成一个存储单元,FeFET最终可能会比嵌入式闪存或与之竞争的非易失性存储器技术具有更高的性能、更低的功耗、更易于制造。在物联网应用、消费电子产品和汽车存储领域保持FeFET的关注。该技术固有的抗篡改性能非常适合于增强卡芯片上的数据安全性,而辐射硬度能够经受住医疗和航空航天环境的严酷考验。

在工厂中,使用沉积工艺形成碳纳米管。挑战在于纳米管在该过程中易于变化和错位。

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“我们看到的主要挑战和需要克服的途径包括三个主要方面。首先是碳纳米管的纯度。源材料中的碳纳米管存在很多变化。该计划的一部分是提高源材料的纯度,以便我们获得高纯度的单壁半导体碳纳米管,“Ferguson说。“第二和第三个挑战涉及晶体管的集成,关系到晶体管性能的可变性和稳定性。“

随着需求的增加,DRAM和flash似乎已经无法跟上生成的大量数据的需求。每个公司似乎都有存储层次结构的可视化表示,在这两种技术之间有一些差距。这个问题只会变得更糟。

“事实是,我们可以在90纳米上展示这项技术后缩小这项技术。这与该计划的既定目标相结合,即超越7nm平面技术。这意味着如果程序成功,它可以在复杂性,性能和成本方面重置不同曲线上的节点缩放,“他补充说。

上图:DRAM和NAND闪存之间可能存在多种非易失性内存技术。

AI内存

分析师Mark
Webb认为,DRAM将在未来五年内继续扩展。但是,它的速度正在放缓,而DRAM易失的事实为数据丢失打开了大门。至少NAND存储器具有持久性。但是随着flash规模缩放,耐用性和性能会受到打击。因此,确实没有一种技术是理想的。

多年来,ReRAM
一直被吹捧为NAND替代品。但是NAND的扩展比以前想象的还要大,导致很多人重新定位ReRAM。

作为回应,业界正在努力寻找一种通用内存,这种内存能够提供DRAM级的性能、数据持久性、无限的持久性以及比NAND的每比特成本更低。敬请期待。我们亟需一种新的存储方法。

今天,有些人正在研究嵌入式ReRAM。其他人正在为面向小众的应用开发独立的ReRAM。从长远来看,ReRAM正在扩大其视野。它针对AI应用程序,DRAM替代品或两者兼而有之。

ReRAM(非易失性阻变式存款和储蓄器State of Qatar已经在中芯国际职业投入临盆。而我们也必须承认,我们上面讨论的新兴记忆中没有一个符合所有这些条件,但两者的结合将保持大数据的流动。不过随着数据处理需求的增长,我们必须密切关注存储类内存和内存类存储之类的术语。在这些保护伞下,新出现的记忆将被分类,增强DRAM和NAND闪存。

一家ReRAM公司Crossbar正在开发一种可能取代DRAM的独立设备。这涉及具有ReRAM和逻辑的类似crossbar的架构。

ReRAM(非易失性阻变式存款和储蓄器State of Qatar已经在中芯国际职业投入临盆。而Energias Market
Research预计,MRAM市场从现在到2025年将迅速增长,复合年增长率也将高达
49.6%,解释这个市场容量将达到12亿美元。Coughlin Associates预测,3D
XPoint
memory——Optane的核心技术——到2028年将把英特尔的收入提高到160亿美元。我们也的确需要新的内存来解决即将到来的闪存、DRAM和SRAM的限制。

“在与客户交谈之后,特别是在数据中心,最大的痛点是DRAM,而不是NAND。由于能源消耗和成本,这是DRAM,“Crossbar战略营销和业务开发副总裁Sylvain
Dubois说。“对于高密度独立应用,我们的目标是在数据中心更换DRAM以用于读取密集型应用。DRAM的密度为8倍,成本降低约3倍至5倍,这大大降低了TCO,同时在超大规模数据中心节省了大量能源。“

各大新兴技术应该努力,因为未来也不一定只有一个赢家。

Crossbar的ReRAM技术也是机器学习的
目标。机器学习涉及神经网络。在神经网络中
,系统会处理数据并识别模式。它匹配某些模式并了解哪些属性很重要。

ReRAM针对更高级的应用程序。“有很多机会以新颖的方式使用ReRAM,例如模拟计算和神经形态计算,但这更多是在研究阶段,”Dubois说。

神经形态计算
也使用神经网络。为此,先进的ReRAM试图在硅中复制大脑。目标是使用精确定时脉冲模拟信息在设备中移动的方式,并且该领域正在进行大量研究,特别是在材料方面。

ReRAM(非易失性阻变式存款和储蓄器State of Qatar已经在中芯国际职业投入临盆。“最大的问题是需要做些什么来真正实现它,” Brewer Science
半导体业务执行董事Srikanth
Kommu说。“关于材料是否可以在这一领域发挥作用,有很多研究。现在,我们不确定。“

材料有两个方面。一个涉及速度和耐久性。第二个涉及可制造性和缺陷性,这两者都会影响产量和最终成本。“很多都是基于宽容和缺陷,”Kommu说。“如果缺点是100,那么你每两年需要70%的改进。”

由于功率和性能原因,AI /
ML的采用和传播使人们对神经形态架构的兴趣不断增加。Leti和ReRAM创业公司Weebit
Nano最近展示了一种神经形态计算,他们在系统中执行了对象识别任务。

该演示使用了Weebit的ReRAM技术,运行推理任务使用尖峰神经网络算法。“人工智能正在迅速扩大。Weebit的首席执行官Coby
Hanoch说,我们正在看到人脸识别,自动驾驶汽车以及医疗领域中的应用。

结论

STT-MRAM也被提议作为DRAM替代品,但STT-MRAM或其他新存储器不会完全取代DRAM或NAND。然而,当前和未来的存储器都值得关注,他们正在对瞬息万变的内存市场中产生影响。我们正处于一个拥有多个新兴内存技术的时代,但下一代存储器却还未脱颖而出。

文章来源:芯频道

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