在 7 月 28 日最近的季度財務(wù)更新中，英特爾宣布將使用其收益報告中的一個腳注來關(guān)閉其 Optane Persistent Memory 業(yè)務(wù)。美光擁有一家位于猶他州 Lehi 的生產(chǎn) Optane 芯片的工廠，美光在今年早些時候?qū)⒃摴S賣給了德州儀器?？梢钥隙ǖ氖?，德州儀器對在猶他州為英特爾制造 Optane 內(nèi)存不感興趣。Optane 的終結(jié)對任何人來說都不足為奇。

根據(jù)Tom Coughlin和Jim Handy這兩位關(guān)注半導體存儲業(yè)務(wù)潮起潮落的全球最重要分析師的說法，英特爾多年來在 Optane 部件上一直在虧損——平均每季度虧損數(shù)億美元，自 2016 年以來。在 Pat Gelsinger 為英特爾打造的新世界中，多年來一直虧損的產(chǎn)品是他不希望在公司產(chǎn)品組合中出現(xiàn)的產(chǎn)品。

因此，Optane 最終成為了被廢棄的存儲技術(shù)，這些技術(shù)過去一度被看作將挑戰(zhàn) DRAM 和 NAND 閃存，以統(tǒng)治世界。許多公司過去也試圖開發(fā)許多替代半導體存儲器技術(shù)，但它們都未能獲得與 DRAM 和 NAND 閃存相比可觀的市場份額。然而，這并不意味著公司不會繼續(xù)嘗試，因為回報是巨大的。

這個市場上已經(jīng)有幾場比賽，其中大多數(shù)內(nèi)存技術(shù)都涉及某種非易失性內(nèi)存，它以一種或多種關(guān)鍵方式改進了 NAND 閃存。我一直對半導體制造商用來創(chuàng)造新的“新興”類型存儲器的各種物理現(xiàn)象著迷，而且不止如此。Coughlin 和 Handy 在一份題為“新興存儲器進入下一階段”的新報告中總結(jié)了這幾種新的和不同的存儲器技術(shù)，他們一直在研究更新版本，以涵蓋英特爾退出 Optane 業(yè)務(wù)的情況。該新版本應該在本文出現(xiàn)時可用，因此您應該檢查一下。

許多這些新的內(nèi)存技術(shù)可能首先用作嵌入式內(nèi)存，用 CMOS 邏輯放置在芯片上，但由于涉及的單位體積，所有這些內(nèi)存工作的圣杯是“存儲級內(nèi)存”的開發(fā)，這需要像 NAND 閃存一樣是非易失性存儲器，但與 DRAM 一樣快或最好比 DRAM 快，因此兩種現(xiàn)有的存儲器類型都可以被一種新類型取代。這是一項艱巨的任務(wù)，需要滿足，但尚未實現(xiàn)。同時，這里是三種新興內(nèi)存技術(shù)的漫步，以及我使用它們的一些經(jīng)驗。

鐵電 RAM (FeRAM, FRAM)

FRAM 是我在 1980 年代第一次開始為電子出版物寫作時遇到的第一個新的內(nèi)存技術(shù)。根據(jù) Coughlin 和 Handy 的報告，鐵電存儲器發(fā)明于 1952 年，1955 年，貝爾實驗室構(gòu)建了一個集成的 256 位 FRAM 陣列，作為一個沒有有源半導體元件的單片設(shè)備，三年前 Jack Kilby 拼湊并在德州儀器公司發(fā)明了第一個集成電路。根據(jù) Coughlin 和 Handy 的說法，Ramtron 在 FRAM 上進行了早期的商業(yè)化工作。他們寫：

“FRAM 的單位銷量似乎超過了所有其他新興內(nèi)存類型的總和。富士通在其用于地鐵票價卡的 RFID 芯片中使用了 FRAM，迄今為止已售出超過 40 億個此類芯片?！?/p>

FRAM 利用某些晶格的獨特物理特性。在這些鐵電材料中，一個原子可以占據(jù)晶格內(nèi)兩個穩(wěn)定位置之一。電場將晶格內(nèi)的移動原子移動到兩個穩(wěn)定位置之一，具體取決于電場的極性，并且某些物理特性（可能是電容或電阻）會根據(jù)被捕獲原子的位置而變化。

任何類型的 40 億芯片都是很多芯片，即使它被用作地鐵票價代幣，那么為什么 FRAM 在這么長時間和交付了所有這些數(shù)十億芯片之后仍然不為人知？半導體工廠經(jīng)理不太喜歡鐵電材料，因為它們包含元素周期表元素，如鉛或鉍，很容易污染工廠。因此，F(xiàn)RAM 作為非易失性嵌入式片上存儲器的用途有限。

Coughlin 和 Handy 的報告提到，氧化鉿和氧化鋯也可以配制成表現(xiàn)出鐵電特性，而且這些材料由于其他原因已經(jīng)在晶圓廠中使用，因此 FRAM 的未來故事很可能會繼續(xù)。

電阻式 RAM

（RRAM、ReRAM、憶阻器）

1971 年，加州大學伯克利分校的 Leon Chua 寫了一篇題為“憶阻器——缺失的電路元件”的理論論文。該論文描述了第四種基本的無源電子設(shè)備憶阻器，它根據(jù)之前流過設(shè)備的電荷量來調(diào)節(jié)通過自身的電流。Chua 沒有制造這樣的設(shè)備。早在 1971 年，憶阻器只是理論上的。這是一個假設(shè)的設(shè)備，滿足了用于描述其他三個基本無源電子元件行為的方程式中明顯的對稱性需求：電阻器、電容器和電感器。憶阻器在理論上存在，但在實踐中并不存在。

這一切都在2008 年發(fā)生了變化，當時惠普實驗室宣布它已經(jīng)成功地用二氧化鈦制造了一個憶阻器，并且憶阻器是可用于存儲模擬或數(shù)字數(shù)據(jù)的非二進制設(shè)備。這是一個激動人心的公告，人們很快就預測 DRAM 即將消亡，取而代之的是電阻式存儲器或 RRAM 形式的憶阻器。此外，惠普表示，它將在其即將推出的登月計算機The Machine中使用 RRAM。

到 2015 年，惠普已經(jīng)退縮并表示將在 The Machine 中使用 DRAM 而不是憶阻器。在惠普宣布憶阻器 15 年后，RRAM 革命尚未發(fā)生，而且似乎不會很快發(fā)生。Coughlin 和 Handy 的報告詳細介紹了 RRAM/ReRAM 的幾項工作，而 RRAM 的時代可能還沒有到來——現(xiàn)在很快，毫無疑問。

相變存儲器 (PCM)

相變存儲器或 PCM 使用材料的一些主要物理轉(zhuǎn)變——例如結(jié)晶態(tài)和非晶態(tài)之間的轉(zhuǎn)變——以及相關(guān)的電氣特性變化——來存儲數(shù)據(jù)。根據(jù)其歷史，Optane 內(nèi)存很可能是一種 PCM。Optane 的根源可以追溯到多產(chǎn)的發(fā)明家 Stanford Ovshinsky，他花了幾十年的時間研究非晶半導體的特性和用途。我記得在 1970 年代初，我和我的朋友兼大學同學 Jim Blike 討論過 Ovshinsky 的作品。他對 Ovshinsky 的開創(chuàng)性工作感到非常興奮。

Ovshinsky 于 1960 年創(chuàng)立了 Energy Conversion Laboratories，以研究無定形材料及其相變特性。該實驗室于 1964 年成為能量轉(zhuǎn)換設(shè)備 (ECD)，而 Ovshinsky 的眾多創(chuàng)新之一是以他自己的名字命名的 Ovonics 相變存儲器。英特爾和美光最終與 Ovshinsky 和 ECD 合作，獲得了 Ovonics Phase-Change Memory 知識產(chǎn)權(quán)的許可，并在 2015 年大張旗鼓地宣布了 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趣，但我似乎記得，該技術(shù)報告的早期問題之一是適度的熱量可以使 PCM 存儲單元中的位退火，并且有數(shù)據(jù)中心服務(wù)器內(nèi)部有大量可用熱量。這個熱量問題意味著 PCM 可能需要像 DRAM 一樣進行刷新。根據(jù)環(huán)境溫度有多熱，刷新周期可能需要相當頻繁，大約幾秒鐘。但是，我最近沒有聽到太多關(guān)于這個問題的消息，所以也許它已經(jīng)解決了。

尚未克服的問題是每比特的相對成本。英特爾在 Optane 存儲設(shè)備上的虧損以及美光先前退出 3D XPoint 合資企業(yè)證明，即使是英特爾和美光這樣的主要半導體制造商也很難讓 PCM 具有價格競爭力，即使背后有十年的研發(fā)努力。

磁性內(nèi)存 (MRAM)

我必須承認，我對磁記憶有著特殊的親和力。第一臺使用磁存儲器的計算機是 MIT Whirlwind 計算機項目，它在 1953 年 8 月 8 日獲得了世界上第一個磁芯存儲器。在接下來的二十年里，磁芯內(nèi)存完全主導了計算機內(nèi)存空間。然而，英特爾在 1970 年末推出了第一個商業(yè)上可行的半導體 DRAM 1103，為磁芯存儲器敲響了喪鐘。

核心內(nèi)存仍然是一種手工編織的產(chǎn)品，因此價格昂貴。盡管公司確實嘗試過，但它拒絕了一切使其制造自動化的努力。他們只是失敗了。與此同時，半導體 DRAM 利用了使集成電路成為電子行業(yè)驅(qū)動力的大規(guī)模生產(chǎn)制造技術(shù)，首先是光刻技術(shù)。磁芯記憶似乎在一夜之間消失了。到 1975 年，DRAM 明顯統(tǒng)治了內(nèi)存。

多年來，磁存儲器一直讓技術(shù)人員著迷。英特爾、西部電氣、德州儀器、羅克韋爾、美國國家半導體、日立、西屋、摩托羅拉、富士通和夏普都在 1970 年代后期開始嘗試將磁泡存儲器商業(yè)化，但都失敗了。IBM 從 2000 年代初開始開發(fā) Racetrack 內(nèi)存，這是一種更新的 1 維版本的內(nèi)存。還沒有。即使這些磁存儲器技術(shù)中的一種成功了，它們也是串行存儲器，因此相對較慢且僅適用于磁盤更換，或者目前僅用于更換基于 NAND 閃存的 SSD。

磁性 RAM，MRAM，試圖將基于光刻的半導體生產(chǎn)的大規(guī)模制造技術(shù)與磁位存儲相結(jié)合。非易失性 MRAM 現(xiàn)已作為 Everspin Technologies 的商業(yè)產(chǎn)品提供。至少十年來，我一直在寫關(guān)于那家公司的文章。Everspin 說它已經(jīng)售出了數(shù)百萬個 MRAM 芯片。這遠不及 DRAM 和 NAND 閃存單元的數(shù)量，但也不是沒有。

然而，與 DRAM 和 NAND 閃存芯片相比，MRAM 有兩個顯著的競爭問題：每個芯片的位密度和成本。MRAM 供應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 (Spin Torque Transfer) MRAM。Coughlin 和 Handy 的報告提供了包括 STT MRAM 在內(nèi)的九種不同類型 MRAM 的大量技術(shù)細節(jié)。

也許四種新興內(nèi)存類型（FRAM、RRAM、PCM 或 MRAM）中的一種將成為存儲類內(nèi)存的圣杯。也許它會是其他一些內(nèi)存技術(shù)。也許像星際迷航的等線性芯片，不管它們是什么。時間會證明一切。

編輯：黃飛

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