半导体

这篇文章,把新型存储说清楚了

作者:黄阳棋 朱邵歆来源:中国电子报、电子信息产业网发布时间:2020-03-31 21:07我要评论

存储器是现代信息系统的关键组件之一,已经形成了一个主要由DRAM与NAND Flash组成的超过1600亿美元的市场。同时,新型存储开始逐步迈向产业化,将有可能重塑未来存储市场格局。我国正在大力发展存储产业,提前布局新型存储将是建立未来存储产业生态的重要部分。

新型存储主要指相变、磁变、阻变存储

目前,受到广泛关注的新型存储器主要有3种:相变存储器(PCM),以英特尔与美光联合研发的3D Xpoint为代表;磁变存储器(MRAM),以美国Everspin公司推出的STT-MRAM为代表;阻变存储器(ReRAM),目前暂无商用产品,代表公司有美国Crossbar。

事实上,上述新型存储器已经被研究了数十年,只是相对于早已产业化的SRAM、DRAM、和NAND Flash,还未能大规模商用。存储产业未来的技术发展方向仍是未知数。

新型存储核心是解决“存储墙”问题

“存储墙”问题来源于当前计算架构中的多级存储,随着处理器性能的不断提升,这一问题已经成为制约计算系统性能的主要因素。当前主流的计算系统,从大型服务器集群、PC、再到智能手机,无一例外地都采用冯诺依曼架构,其特点在于程序存储于存储器中,与运算控制单元相分离。为了满足速度和容量的需求,现代计算系统通常采取高速缓存(SRAM)、主存(DRAM)、外部存储(NAND Flash)的三级存储结构,如图所示。越靠近运算单元的存储器速度越快,但受功耗、散热、芯片面积的制约,其相应的容量也越小。SRAM响应时间通常在纳秒级,DRAM则一般为100纳秒量级,NAND Flash更是高达100微秒级,当数据在这三级存储间传输时,后级的响应时间及传输带宽都将拖累整体的性能,形成“存储墙”。

图 常见的存储系统架构及存储墙

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由于DRAM和NAND Flash本身物理特性的限制,单纯依靠改良现有的存储器很难突破“存储墙”。因此,新型存储开始受到广泛关注,其特点在于同时具备DRAM的读写速率与寿命以及NAND Flash的非易失特性。这使得新型存储理论上可以简化存储架构将当前的内存和外存合并为持久内存,从而有望消除或缩小内存与外存间的“存储墙”。

此外,一些新的应用也开始尝试使用新型存储,例如存内计算(PIM)。这是一种将逻辑运算单元直接嵌入内存中的非冯诺依曼架构,理论上能够完全消除“存储墙”问题,在深度学习应用中优势明显。国外已经有使用MRAM、ReRAM作为存内计算存储单元的实验报道。

主流新型存储的产业现状

当前的3种新型存储均处于起步阶段,PCM发展最快。由于英特尔的主推,PCM商业化进程最快,已经有傲腾H系列混合固态盘、以及傲腾M系列持久内存两款主要面向数据中心的商用产品,与英特尔自身的处理器配套形成一套完整的数据密集型应用解决方案。MRAM方面,Everspin已经有产品应用于航空航天等特定领域,并于2019年开始与格芯合作,试生产28nm制程的1Gb STT-MRAM产品。ReRAM仍然尚未商用,初创公司如Crossbar正致力于其产业化进程。

当前的新型存储尚不具备替代DRAM或NAND闪存的能力,市场主要集中于低延迟存储与持久内存。分别比较3种存储的介质特性,如下表所示。

表 新型存储及传统存储特性对比

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MRAM具有最好的读写速率和使用寿命,从理论上有机会替代现有内存和外存,但是由于涉及量子隧穿效应,大规模制造难以保证均一性,存储容量和良率爬坡缓慢。在工艺取得进一步突破之前,MRAM的产品主要适用于容量要求低的特殊应用领域以及新兴的IoT嵌入式存储领域。

PCM在读写速率以及使用寿命上都难以替代DRAM,但是已经大幅优于NAND Flash。当前产品的主要问题在于存储密度过低,在容量上无法替代NAND Flash。从英特尔3D Xpoint的持续亏损来看,其成本和良率也是瓶颈之一。当前PCM产品主要用作持久内存以及低延迟存储中的SSD缓存。

ReRAM在工艺上与CMOS完全兼容,能够较容易扩展至先进工艺节点。但是由于存储介质中的导电通道具有随机性,在二进制存储中难以保证大规模阵列的均一性。也正因为这一特点,普遍认为ReRAM在神经网络计算中具有独特的优势。未来ReRAM相关产品有机会在特定算法的加速芯片领域应用。

我国发展新型存储的挑战与机遇

我国新型存储产业化能力及知识产权布局实际已经大幅落后。相变存储器和阻变存储器的专利从2000年左右开始逐渐增加,磁变存储器更是从1990年就开始有专利申请。英特尔在2015年发布3D Xpoint,实际上已经经历了十余年的发展。我国目前尚处于科学研究阶段,如果想要发展产业势必会遇到和发展DRAM、NAND Flash相同的知识产权问题。

我国缺乏像英特尔、三星、东芝这样的巨头作为新型存储的产业主体。这些企业一方面已经在存储领域深耕数十年,有丰富的技术积累、人才积累、以及产业经验;另一方面,又有强大的资金支持,拥有高额的利润用于研发。我国在新型存储领域的研发仍主要依靠科研经费和专项补贴,缺乏对应的产业化经验。

新型存储产业尚未成熟,机遇大于挑战。产业格局上,相对于传统的DRAM和NAND Flash,新型存储尚未形成行业垄断,产品路线也不够明朗,我国在这一领域具有换道超车的可能。技术上,未来存储技术路线尚不明确,存在技术追赶甚至反超的机遇。市场上,随着我国在5G、人工智能等新兴领域的快速发展,存储需求呈现爆发式增长,有足够广阔的新型存储潜在市场。

意见建议

一是以市场为导向,以产业为主体,结合已有研发团队,快速推进新型存储产业化。要摆脱新型存储研究停留在实验室的困境,跟随市场需求,从产业化的角度指导投资建设,培育专业人才。设立产业专项,整合国内各研究机构已有研发团队,通力合作,突破技术难题。

二是避免盲目上规模。在当前新型存储产业格局尚未明朗的情况下,技术存在较大不确定性,且存储项目一般投资金额大,在缺乏明确客户情况下,企业运营压力巨大,大规模生产风险极高。应尽量以中试线等小规模建设为主,稳扎稳打,逐步解决产业化过程中技术、成本、客户等关键问题。

三是产业上下游协同发展。鼓励整机、CPU、存储企业主体联合参与,推动新型存储产业链快速成型。借鉴英特尔计算、存储、新型存储形成完整解决方案的形式,多家企业联合攻关,形成系统配套方案。

作者黄阳棋博士供职于赛迪智库集成电路所、朱邵歆博士系赛迪智库集成电路所副所长


责任编辑:赵强
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