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新型存储介质

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新型存储介质
作者：靳蕴瑶
来源：《世界家苑》2018年第08期
        摘 要：众所周知，在传统的计算机体系结构中，内存架构是层级制的。从片上的寄存器内存-高速缓存（cache），到片外的主存（DRAM），以及磁盘（disk）。不同的计算机硬件厂商可能在具体的等级划分数目上有所不同，但大体结构并无二致。由于存在寄存器内存-高速缓存-主存-硬盘存储器这样的从上到下的层级结构，越往下存储容量越大，价格更低，但是存取速度也越慢。更高密度、更大带宽、更低功耗、更短延迟时问、更低成本和更高可靠性是存储器设计和制造者追求的永恒目标。根据这一目标，人们研究各种存储技术，以满足应用的需求。本文对目前几种比较有竞争力和发展潜力的新型存储介质做了一个简单的介绍。
        关键词：存储介质；新型
        由于CPU芯片大小的固有限制，寄存器内存不能太大，一般只有几十KB到几百KB的存储容量。所以，一个更好地改造目标是DRAM，近年来随着技术的进步和成熟，DRAM已经从从2GB发展到如今的8GB，16GB甚至更高，且速度性能也在不断提升。但是，随着近些年内存计算技术的兴起，越来越多的应用需要将更多数据放入内存中进行操作，内存空间就成为了一个不可忽视的瓶颈。如何能够在保证访问速度的情况下，提升内存存储空间成为了一个极具挑战力的课题。
        1scm介质
        SCM（Storage Class Memory）是当前业界非常热门的新介质形态，同时具备持久化和快速字节级访问的特点。SCM介质的访问时延普遍小于1μs，没有NAND Flash顺序写入和写前擦除的约束，操作过程更简单；SCM介质的在寿命和数据保持能力方面的表现也远超NAND Flash。基于这些特点，业界普遍认为SCM会成为颠覆存储系统设计的新一代介质，并优先应用于性能和可靠性要求较高的场景。
        1.1 PCM相变存储器
        相变存储器，是指利用特殊合金材料在晶态和非晶态下的导电性差异来表示0或者1的状态。
        缺点是对于高温比较敏感，PCM可用于Cache加速场景和大内存应用场景，由于其寿命和内存仍有一定差距，因此需要在系统设计上针对PCM进行优化以避免“写穿”。但结构简单，便于实现大容量和低成本。
        主要用于Cache加速和Cache内存应用，考虑到PRAM的成熟度、对热度敏感和写穿透等因素，在应用中一般搭配DRAM或SRAM一起使用，在填补RAM和Storage之间的性能、容量差距的同时，形成具有分級能力的高速Cache应用资源池；其典型代表为Intel和Micron联合研发的Intel的3D Xpoint。
        1.2 ReRAM阻抗随机存储器
        阻抗随机存储器，是通过在上下电极间施加不同的电压，控制Cell（存储单元）内部导电丝的形成和熔断对外呈现不同的阻抗值。
        它的读写寿命和性能都较低，但优点是它的不同阻抗值可以表示不同状态，理论容量密度和成本可以最优。
        主要应用于高速的数据存储场景。典型代表厂商为HPE和Crossbar，目前成熟度有待加强。
        1.3 MRAM磁性随机存储器
        磁性随机存储器，是通过电流磁场改变电子自旋方向来表示不同状态。
        它的缺点很明显，工艺成熟度低，实际产品容量密度也较小。但它的理论性能和寿命都很高，当前理论研究较为成熟。
        适用于贴近CPU侧的高速缓存（如L2 Cache，LLCache），代表厂商为Toshiba和Everspin。
        1.4 NRAM碳纳米管随机存储器
        碳纳米管随机存储器，是采用碳纳米管作为开关，控制电路通断表示不同的数据状态。
        它的缺点是工艺成熟度低，实际产品容量密度较小，但由于碳纳米管尺寸非常小并且具备极强的韧性，因此NRAM理论制程可以达到5nm以下，密度和寿命及其优秀，理论功耗也比较低，具有极强的发展潜力。
        可用于替代SRAM（Static random-access memory or StaticRAM）的应用场景。当前由Nantero授权其他存储芯片厂商加工，成熟度比较低，距离规模商用仍需很长的发展历程。
        2非易失存储器（NVM）
        非易失性存储器是指当电流关掉后，所存储的数据不会消失者的电脑存储器。非易失性存储器中，依存储器内的数据是否能在使用电脑时随时改写为标准。分为二大类产品，即ROM和Flash memory。当然，NVM并不是指某种特定的硬件介质内存，而是针对具有非易失特性的内存的统称。目前有几种比较具有发展潜力的新型非易失性存储器。
        2.1 铁电存储器（FeRAM）
        铁电存储器是一种在断电时不会丢失内容的非易失存储器，具有高速、高密度、低功耗和抗辐射等优点。当前应用于存储器的铁电材料主要有钙钛矿结构系列。铁电存储器的存储原理是基于铁电材料的高介电常数和铁电极化特性，按工作模式可以分为破坏性读出（DRO）和非破坏性读出（NDRO）。
        NDRO模式存储器以铁电薄膜来替代MOSFET中的栅极二氧化硅层，通过栅极极化状态（±Pr）实现对来自源-漏电流的调制，使它明显增大或减小，根据源-漏电流的相对大小即可读出所存储的信息，而无需使栅极的极化状态反转，因此它的读出方式是非破坏性的。这是一种比较理想的存储方式。但这种铁电存储器尚处于实验室研究阶段，还不能达到实用程度。
        2.2 磁性随机存储器（MRAM）
        从原理上讲，MRAM的设计是非常诱人的，它通过控制铁磁体中的电子旋转方向来达到改变读取电流大小的目的，从而使其具备二进制数据存储能力。它拥有静态随机存储器（SRAM）的高速读取写入能力，以及动态随机存储器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入。
        写入操作通过磁隧道结中自由层的磁化翻转来实现。早期的MRAM直接采用磁场写入方式，这种写入方式要求位线（或字线）产生的磁场足够大以至于能够有效地减小字线方向上的矫顽场，但同时也要足够小以避免同一条位线上的其余磁隧道结被误写入，由于工艺偏差的存在，所允许写入的磁场范围非常有限。
        2.3 相变存储器（OUM）
        奥弗辛斯基首次描述了基于相变理论的存储器：材料由非晶体状态变成晶体，再变回非晶体的过程中，其非晶体和晶体状态呈现不同的反光特性和电阻特性，因此可以利用非晶态和晶态分别代表“0”和“1”来存储数据。这一学说称为奥弗辛斯基电子效应。相变存储器是基于奥弗辛斯基效应的元件。
        从理论上来说，OUM的优点在于产品体积较小、成本低、可直接写入（即在写入资料时不需要将原有资料抹除）和制造简单，只需在现有的CMOS工艺上增加2～4次掩膜工序就能制造出来。但OUM的读写速度和次数不如 FeRAM 和MRAM，同时如何稳定维持其驱动温度也是一个技术难题。OUM的存储单元虽小，但需要的外围电路面积较大，因此芯片面积反而是OUM的一个头疼问题。同时从目前来看，OUM的生产成本比Intel预想的要高得多，也成为阻碍其发展的瓶颈之一。
        参考文献
        [1]严华兵 存储与数据技术
        [2]梁日泉 基于STT-MRAM的高速cache设计与实现[D].西安电子科技大学，2016.
        [3]赵巍胜，王昭昊，彭守仲，王乐知，常亮，张有光.STT-MRAM存储器的研究进展[J].中国科学：物理学 力学 天文学，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
        作者简介
        靳蕴瑶（1998-），女，山西省长治市人，汉，职称，无，学历：在读本科，研究方向：计算机科学与技术，单位：四川大学计算机学院计算机科学与技术系。
        （作者单位：四川大学计算机学院计算机科学与技术系）

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