美光科技開發(fā)的一篇關(guān)于非易失性鐵電存儲(chǔ)器的論文計(jì)劃在今年 12 月的國際電子器件會(huì)議上發(fā)表。

該論文的摘要稱，與傳統(tǒng) DRAM 相比，堆疊式內(nèi)存可以提供更快的數(shù)據(jù)移動(dòng)并容納更大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，同時(shí)提供能源效率。從美光的這篇題為《NVDRAM: A 32Gb Dual Layer 3D Stacked Non-Volatile Ferroelectric Memory with Near-DRAM Performance for Demanding AI Workloads》的論文中可以看到，該存儲(chǔ)可滿足高要求的 AI 工作負(fù)載，該論文將在專注于生成 AI 的會(huì)議會(huì)議上發(fā)表。主要作者是美光先進(jìn) DRAM 和新興內(nèi)存副總裁 Nirmal Ramaswamy。

雖然近內(nèi)存計(jì)算和內(nèi)存處理等新穎的計(jì)算機(jī)架構(gòu)是熱門的研究主題，但美光研究人員斷言，近期有機(jī)會(huì)為現(xiàn)有的傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)配備更高效的內(nèi)存。

論文摘要聲稱這是世界上第一個(gè)雙層、高性能、32Gbit 可堆疊和非易失性鐵電存儲(chǔ)器技術(shù)，美光科技為該技術(shù)賦予了非易失性動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (NVDRAM) 的矛盾標(biāo)簽。

盡管如此，該技術(shù)還顯示出除人工智能之外的各種應(yīng)用的潛力。它結(jié)合了鐵電存儲(chǔ)單元的非易失性和高耐用性，同時(shí)超越了 NAND 閃存的保留性能，并提供類似 DRAM 的讀/寫速度。

該存儲(chǔ)器包括與傳統(tǒng)電容器一樣的5.7nm鐵電電容器，并采用傳統(tǒng)DRAM的1T1C架構(gòu)。存儲(chǔ)器堆疊有雙柵多晶硅晶體管作為存取控制器件。

32Gbit NVDRAM 的掃描電子顯微照片橫截面，該 NVDRAM 具有雙堆疊 1T1C 存儲(chǔ)層，在 CMOS 陣列上制造。資料來源：IEDM

為了最大限度地提高存儲(chǔ)密度，堆疊式雙存儲(chǔ)層被放置在 48 納米間距的 CMOS 訪問電路之上。

由于 IEDM 是一個(gè)學(xué)術(shù)會(huì)議，因此不太可能對(duì)這種存儲(chǔ)器的商業(yè)引入進(jìn)行任何正式討論。但對(duì)于它來說，要解決“近期機(jī)會(huì)”，它表明關(guān)于其引入的進(jìn)行/不進(jìn)行的決定要么已經(jīng)做出，要么即將做出，可能取決于演示后的反饋。

新興存儲(chǔ)技術(shù)，能顛覆 DRAM 和 NAND 嗎？

除了NAND和DRAM以外，這個(gè)市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了多種新興存儲(chǔ)技術(shù)，其中大多數(shù)內(nèi)存技術(shù)都涉及某種非易失性內(nèi)存，這些內(nèi)存以一種或多種關(guān)鍵方式改進(jìn)了 NAND 閃存。許多新的存儲(chǔ)器技術(shù)可能首先用作嵌入式存儲(chǔ)器，放置在具有 CMOS 邏輯的芯片上，但由于涉及單位體積，所有這些存儲(chǔ)器工作的圣杯是“存儲(chǔ)級(jí)存儲(chǔ)器”的開發(fā)，這需要與 NAND 閃存一樣是非易失性的，但與 DRAM 一樣快或最好比 DRAM 更快，以便兩種現(xiàn)有的存儲(chǔ)器類型都可以被一種新類型取代。

這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，也是人們所渴望的，但尚未實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí)，以下是三種新興內(nèi)存技術(shù)的漫步，以及我使用這些技術(shù)的一些經(jīng)驗(yàn)。

一、鐵電 RAM（FeRAM、FRAM）

根據(jù)相關(guān)報(bào)告，鐵電存儲(chǔ)器是在 1952 年發(fā)明的。貝爾實(shí)驗(yàn)室隨后于 1955 年構(gòu)建了一個(gè)集成的 256 位 FRAM 陣列，作為一個(gè)沒有有源半導(dǎo)體元件的單片器件，三年后，杰克·基爾比 (Jack Kilby) 拼湊起來并在德州儀器 (TI) 發(fā)明了第一個(gè)集成電路。20 世紀(jì) 80 年代末，科羅拉多斯普林斯的一家名為 Ramtron 的公司完成了 FRAM 的早期商業(yè)化工作。他們寫：

“FRAM 的銷量似乎比所有其他新興內(nèi)存類型的銷量總和還多。富士通在其地鐵票價(jià)卡 RFID 芯片中使用了 FRAM，迄今為止已售出超過 40 億顆此類芯片?！?/p>

FRAM 利用某些晶格的獨(dú)特物理特性。在這些鐵電材料中，原子可以占據(jù)晶格內(nèi)兩個(gè)穩(wěn)定位置之一。電場(chǎng)將晶格內(nèi)的移動(dòng)原子移動(dòng)到兩個(gè)穩(wěn)定位置之一，具體取決于電場(chǎng)的極性和一些物理屬性（可能是電容或電阻），具體取決于被捕獲原子的位置。

任何類型的 40 億個(gè)芯片都是很多芯片，即使它被用作地鐵票價(jià)代幣，那么為什么 FRAM 經(jīng)過這么長時(shí)間、在運(yùn)送了所有這些數(shù)十億個(gè)芯片之后仍然不為人知呢？半導(dǎo)體晶圓廠經(jīng)理不太喜歡鐵電材料，因?yàn)樗鼈兒性刂芷诒碓?，例如鉛或鉍，很容易污染晶圓廠。因此，F(xiàn)RAM 作為非易失性嵌入式片上存儲(chǔ)器的用途有限。相關(guān)報(bào)告也指出，氧化鉿和氧化鋯也可以通過配制來表現(xiàn)出鐵電特性，而且這些材料已經(jīng)因其他原因在晶圓廠中使用，因此 FRAM 的未來故事很可能會(huì)繼續(xù)下去。

二、電阻式 RAM（RRAM、ReRAM、憶阻器）

1971年，加州大學(xué)伯克利分校的Leon Chua寫了一篇理論論文，題為“Memristor–The Missing Circuit Element”。該論文描述了第四種基本無源電子器件——憶阻器，它根據(jù)先前流過該器件的電荷量來調(diào)節(jié)流經(jīng)自身的電流。Chua并沒有建造這樣的設(shè)備。在 1971 年之前，憶阻器還只是理論上的，這是一個(gè)假設(shè)的設(shè)備，滿足了用于描述其他三種基本無源電子元件（電阻器、電容器和電感器）行為的方程中對(duì)稱性的明顯需求。憶阻器在理論上存在，但在實(shí)踐中并不存在。

近四十年后，即 2008 年，這一切都發(fā)生了變化，當(dāng)時(shí)惠普實(shí)驗(yàn)室宣布它已成功用二氧化鈦制造出憶阻器，并且憶阻器是可用于存儲(chǔ)模擬或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的非二進(jìn)制器件。這是一個(gè)令人振奮的消息，人們很快就預(yù)測(cè) DRAM 即將消亡，并被電阻式存儲(chǔ)器或 RRAM 形式的憶阻器所取代。此外，惠普表示，它將在即將推出的名為“The Machine”的登月計(jì)算機(jī)中使用 RRAM。

到 2015 年，惠普做出了讓步，表示將在 The Machine 中使用 DRAM，而不是憶阻器?；萜胀瞥鰬涀杵魇迥旰?，RRAM 革命尚未發(fā)生，而且似乎不會(huì)很快發(fā)生，但RRAM 的時(shí)代可能已經(jīng)到來——毫無疑問，很快就會(huì)到來。

三、相變存儲(chǔ)器 (PCM)

相變存儲(chǔ)器或 PCM 使用材料的一些主要物理轉(zhuǎn)變（例如晶態(tài)和非晶態(tài)之間的轉(zhuǎn)變）以及電氣特性的相關(guān)變化來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)其歷史，Optane 內(nèi)存很可能是 PCM 的一種。Optane 的根源可以追溯到一位名叫斯坦?！W夫辛斯基 (Stanford Ovshinsky) 的多產(chǎn)發(fā)明家，他花了數(shù)十年時(shí)間研究非晶半導(dǎo)體的特性和用途。

奧夫辛斯基 (Ovshinsky) 于 1960 年創(chuàng)立了能量轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)室，研究非晶材料及其相變特性。該實(shí)驗(yàn)室于 1964 年更名為能量轉(zhuǎn)換設(shè)備 (ECD)，奧夫辛斯基的眾多創(chuàng)新之一是以他自己的名字命名的 Ovonics 相變存儲(chǔ)器。英特爾和美光最終與 Ovshinsky 和 ECD 合作，獲得了 Ovonics 相變內(nèi)存知識(shí)產(chǎn)權(quán)的許可，并于 2015 年大張旗鼓地發(fā)布了 3D XPoint PCM。

美光和英特爾在 3D XPoint PCM 上投入了大量精力并引起了人們的興奮，但我似乎記得該技術(shù)報(bào)告的早期問題之一是適度的熱量可能會(huì)使 PCM 存儲(chǔ)單元中的位直接退火，并且有數(shù)據(jù)中心服務(wù)器內(nèi)部有大量可用熱量。這個(gè)熱量問題意味著 PCM 可能需要像 DRAM 一樣進(jìn)行刷新。根據(jù)環(huán)境溫度的高低，刷新周期可能需要相當(dāng)頻繁，大約幾秒鐘。不過，最近我沒有聽說過這個(gè)問題，所以也許它已經(jīng)解決了。

尚未解決的問題是每比特的相對(duì)成本。英特爾在 Optane 存儲(chǔ)設(shè)備上的損失以及美光之前退出 3D XPoint 合資企業(yè)都證明，即使是英特爾和美光等主要半導(dǎo)體制造商也很難使 PCM 具有價(jià)格競爭力，即使他們經(jīng)過了十年的研發(fā)努力。

四、磁性 RAM (MRAM)

回顧歷史顯示，第一臺(tái)使用磁存儲(chǔ)器的計(jì)算機(jī)是麻省理工學(xué)院旋風(fēng)計(jì)算機(jī)項(xiàng)目，該項(xiàng)目于 1953 年 8 月 8 日獲得了世界上第一臺(tái)磁芯存儲(chǔ)器。磁芯存儲(chǔ)器在接下來的二十年里完全統(tǒng)治了計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間。然而，英特爾在 1970 年底推出了第一款商用半導(dǎo)體 DRAM 1103，敲響了磁芯存儲(chǔ)器的喪鐘。

核心內(nèi)存仍然是一種手工編織的產(chǎn)品，因此價(jià)格昂貴。盡管公司確實(shí)嘗試過，但它抵制了一切自動(dòng)化制造的努力。他們只是失敗了。與此同時(shí)，半導(dǎo)體DRAM利用了大規(guī)模生產(chǎn)制造技術(shù)，使集成電路成為電子行業(yè)的驅(qū)動(dòng)力，從光刻開始。磁芯存儲(chǔ)器似乎在一夜之間消失了。到 1975 年，DRAM 明顯統(tǒng)治了內(nèi)存領(lǐng)域。

多年來，磁記憶一直讓技術(shù)專家著迷。從 20 世紀(jì) 70 年代末開始，英特爾、西部電氣、德州儀器、羅克韋爾、國家半導(dǎo)體、日立、西屋、摩托羅拉、富士通和夏普都曾嘗試將磁泡存儲(chǔ)器商業(yè)化，但均以失敗告終。IBM 從 2000 年代初期開始開發(fā)了 Racetrack 內(nèi)存，這是氣泡內(nèi)存的更新版一維版本。還沒到那兒。即使其中一種磁存儲(chǔ)技術(shù)取得了成功，它們也是串行存儲(chǔ)器，因此速度相對(duì)較慢，并且僅適用于磁盤替換，或者目前僅適用于替換基于 NAND 閃存的 SSD。

磁性 RAM（MRAM）嘗試將基于光刻的半導(dǎo)體生產(chǎn)的大規(guī)模制造技術(shù)與磁性位存儲(chǔ)相融合。非易失性 MRAM 現(xiàn)已作為 Everspin Technologies 的商業(yè)產(chǎn)品提供。Everspin 表示，其 MRAM 芯片已售出數(shù)百萬顆。這與 DRAM 和 NAND 閃存單位體積相差甚遠(yuǎn)，但也并非一無是處。

然而，與 DRAM 和 NAND 閃存芯片相比，MRAM 存在兩個(gè)顯著的競爭問題：每芯片的位密度和成本。MRAM 供應(yīng)商正在嘗試各種方法來克服這些競爭挑戰(zhàn)。最新的希望被稱為STT（自旋扭矩傳遞）MRAM。

也許四種新興存儲(chǔ)器（FRAM、RRAM、PCM 或 MRAM）中的一種將成為存儲(chǔ)級(jí)存儲(chǔ)器的圣杯。也許它會(huì)是其他一些存儲(chǔ)技術(shù)。也許類似于《星際迷航》的等線性芯片，不管它們是什么。時(shí)間會(huì)證明一切。

來源:EETOP

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