幾年前，IDC預測，到2025年，普通人每天將與連接的設備進行4800次交互。從這些傳感器中注入的信息將促進機器學習，語言處理和人工智能，所有這些都需要快速存儲和更多的計算能力。下一代內存技術將解決當今存儲層次結構中的空白，在需要進行實時處理的地方提供數(shù)據(jù)。

新興的內存技術有望將大量數(shù)據(jù)保持在處理器附近，而不會導致SRAM和DRAM的高成本或功耗。大多數(shù)都是非易失性的，例如SSD內的NAND閃存，并且比連接NVMe的固態(tài)驅動器快得多。

在這個由兩部分組成的系列文章的第一個部分中，我們將研究三種技術來解決即將出現(xiàn)的大數(shù)據(jù)瓶頸：英特爾的Optane，兩種類型的磁阻RAM（MRAM）和電阻型隨機存取存儲器（ReRAM） 。第二部分將介紹納米管RAM，鐵電RAM和相變存儲器。

新內存技術的主要優(yōu)點

• 英特爾Optane DC持久性內存：針對數(shù)據(jù)中心工作負載進行了調整的非易失性高容量內存?？梢酝ㄟ^內存操作或塊存儲進行訪問。
• MRAM：可以完全斷電的非易失性存儲器，然后快速喚醒以在IoT應用程序中進行快速寫入。
• ReRAM：承諾彌合數(shù)據(jù)中心中DRAM和閃存之間的差距。將整個數(shù)據(jù)庫存儲在快速，非易失的ReRAM中將徹底改變內存計算。

為大數(shù)據(jù)奠定基礎

問題在于：計算性能正在以數(shù)據(jù)訪問技術無法比擬的速度增長。當大型并行CPU或專用的加速器用盡了超高速緩存或快速的系統(tǒng)內存時，它們被迫進入基于磁盤的慢速存儲，以使字節(jié)緊縮，并磨碎（相對）停止。更大的SRAM高速緩存有助于將熱數(shù)據(jù)保持在手邊，而充足的DRAM為內存計算帶來了奇跡。但是，兩種類型的存儲采購起來都很昂貴。它們本質上也是易失的，需要恒定的能力來保留數(shù)據(jù)。添加這兩種方法都不是解決等待實時分析的龐大數(shù)據(jù)量的經(jīng)濟方法。

英特爾非易失性存儲器解決方案事業(yè)部高級副總裁兼總經(jīng)理Rob Crooke總結了這種基本挑戰(zhàn)：“ DRAM的容量不足以解決當今的實時數(shù)據(jù)分析問題，而傳統(tǒng)存儲的速度并不快足夠?！?/p>

上圖：新興的內存技術有助于縮小閃存（雖然容量大但相對較慢）與DRAM快（但容量卻受到更多限制）之間的差距。

該公司的Optane技術適合日益擴大的系統(tǒng)內存與基于閃存的固態(tài)驅動器，潛在的增壓分析，人工智能和內容交付網(wǎng)絡之間的差距。DRAM非常適合內存處理，但容量也有限。SSD可以擴展到大規(guī)模部署，每GB的成本要低得多。他們只是沒有實時事務操作的性能。Optane旨在橋接這兩個世界。

Optane 采用獨特的架構，該架構由堆疊在密集的三維矩陣中的可單獨尋址的存儲單元組成。英特爾并未對其基于Optane的設備中的技術進行具體說明。但是，我們確實知道Optane可以像DRAM或SSD一樣工作，具體取決于其配置。

上圖：英特爾的Optane DC永久存儲模塊插入主板的DIMM插槽中，可添加128GB至512GB的高速非易失性存儲。

英特爾的Optane DC持久性內存放入連接到CPU內存控制器的標準DIMM插槽中。它最大可提供512GB的容量，可容納的數(shù)據(jù)量是最大DDR4模塊的幾倍。斷電時，有關在App Direct模式下運行的Optane DC永久內存DIMM的信息將保留。相反，諸如DRAM之類的易失性存儲技術如果不經(jīng)常刷新，則會迅速丟失數(shù)據(jù)。軟件確實需要針對英特爾的技術進行優(yōu)化。但是，正確的調整允許性能受限的應用程序以低延遲的內存操作訪問Optane DC永久內存。

另外，也可以在內存模式下使用DIMM，將它們與易失性內存共存以擴展容量。無需重寫軟件即可在內存模式下部署Optane DC永久內存。

該技術也可以在英特爾所謂的“應用程序直接存儲模式”中使用，在該模式下，可以通過標準文件API訪問永久內存地址空間。期望塊存儲的應用程序可以訪問Optane DC永久存儲模塊的App Direct區(qū)域，而無需進行任何特殊優(yōu)化。與通過I / O總線移動數(shù)據(jù)相比，這樣做的好處是性能更高。

無論應用程序如何使用Optane DC持久性存儲器，該技術的優(yōu)勢都一樣：容量，性能和持久性。內存占用量大的數(shù)據(jù)中心應用程序（認為云和基礎架構即服務）是直接受益者。內存數(shù)據(jù)庫，存儲緩存層和網(wǎng)絡功能虛擬化也是如此。

MRAM在邊緣顯示出希望

Optane主要針對數(shù)據(jù)中心，而磁阻RAM或MRAM在各種IoT設備上都顯示出了希望 — IDC表示，傳感器將很快每天接觸數(shù)千次。

請考慮應用材料部門內存部門總經(jīng)理Mahendra Pakala博士的博客文章中的示例。它使用具有語音和面部識別功能的安全攝像機作為MRAM工作良好的示例。您希望該攝像機在邊緣處理盡可能多的數(shù)據(jù)，并且僅將重要的信息上傳到云中。但是，功耗至關重要。根據(jù)Pakala博士的說法，當今的邊緣設備主要采用SRAM存儲器，每個單元最多使用六個晶體管，并且會遭受高有源泄漏功率，從而降低了效率?！白鳛樘娲桨?，MRAM承諾將晶體管密度提高幾倍，從而實現(xiàn)更高的存儲密度或更小的管芯尺寸?！备蟮娜萘浚o湊的芯片以及更低的功耗，對于任何在邊緣進行處理的人來說都是一個勝利。

MRAM中的數(shù)據(jù)由由一對鐵磁板形成的磁性元件存儲，并由薄的電介質隧穿絕緣子隔開。一個極板的極性被永久設置，而另一極的磁化強度改變以存儲零和一。這些板一起形成磁隧道結（MTJ）。這些成為存儲設備的基礎。

像Optane DC永久性存儲器一樣，MRAM是非易失性的。Everspin Technologies是MRAM技術的領導者之一，該公司表示，存儲在其Toggle MRAM中的數(shù)據(jù)在溫度下可持續(xù)使用20年。MRAM也非?？臁verspin聲稱同步讀寫延遲在35ns范圍內。這接近于SRAM夸張的性能，從而使MRAM幾乎可以替代當今的任何易失性存儲器。

密度是傳統(tǒng)MRAM缺少DRAM和閃存的地方。Everspin 最近宣布了一種32Mb設備。但是相比之下，最大的每單元四位NAND部件提供4Tb的密度。MRAM在物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)應用中脫穎而出的更多原因是，MRAM的性能，持久性和無限的耐久性足以彌補容量不足。

上圖：Everspin的最新1Gb自旋轉移扭矩MRAM器件面向需要高容量，低延遲和持久性的企業(yè)和計算應用。

自旋傳遞扭矩（STT-MRAM）是磁阻技術的一種變體，通過用極化電流操縱電子自旋來工作。與Toggle MRAM相比，其機制所需的開關能量更少，從而降低了功耗。STT-MRAM也具有更大的可擴展性。Everspin的獨立設備提供256Mb和1Gb密度。像Phison這樣的公司可以將其中之一放在其閃存控制器旁邊，并獲得出色的緩存性能，并具有掉電保護的額外優(yōu)勢。您無需擔心購買帶有內置電池備份的SSD。進行中的數(shù)據(jù)傳輸始終將是安全的，即使在意外關閉的情況下。

英特爾，臺積電和聯(lián)電等代工廠對STT-MRAM感興趣的另一個目的是：他們希望將其嵌入其微控制器中。這些設計中目前使用的NOR閃存很難擴展到較小的制造節(jié)點，而MRAM的集成更經(jīng)濟。實際上，英特爾已經(jīng)發(fā)表了一篇論文，展示了其22nm FinFET低功耗工藝與生產就緒的7.2Mb MRAM陣列。該公司表示，MRAM作為嵌入式非易失性存儲器是具有片上啟動數(shù)據(jù)要求的IoT，FPGA和芯片組的潛在解決方案。

ReRAM可能是內存中計算的答案

在宣布成功將MRAM與22FFL制造集成后的幾個月，英特爾在國際固態(tài)電路會議上作了介紹，介紹了一個嵌入有相同處理節(jié)點的3.6Mb電阻式隨機存取存儲器（ReRAM）宏。

ReRAM是另一種類型的非易失性存儲器，聲稱具有低功耗，高密度的性能，可將其置于DRAM和基于閃存的存儲之間。但是，盡管MRAM的特性預示了IoT設備的生命，但ReRAM正在為數(shù)據(jù)中心事業(yè)做準備，以縮小服務器內存和SSD之間的差距。

上圖：Crossbar的ReRAM技術：兩個電極之間的電介質中的納米纖絲通過不同的電壓電平形成和復位，從而形成了低電阻和高電阻路徑。

多家公司正在開發(fā)使用多種材料的ReRAM。例如，Crossbar的ReRAM技術采用了夾在頂部和底部電極之間的硅基開關材料。當在電極之間施加電壓時，納米絲會在電介質中形成，從而形成低電阻路徑。然后可以通過另一個電壓將燈絲復位。英特爾在氧氣交換層下使用了氧化鉭高κ電介質，從而在其電極之間產生了空位。這兩個單元的組成不同，但執(zhí)行相同的功能，與NAND閃存相比，提供了快許多倍的讀取和寫入性能。

應用材料公司的Pakala博士說，ReRAM似乎是內存計算中最可行的存儲技術，其中數(shù)據(jù)保存在RAM中而不是磁盤中的數(shù)據(jù)庫中?！巴ㄟ^利用歐姆定律和基爾霍夫定律，可以在陣列內完成矩陣乘法，而無需將權重移入或移出芯片。多級單元架構有望將存儲密度提高到一個新的水平，從而可以設計和使用更大的模型?！痹贒RAM中處理這些模型的成本非常高，這就是為什么ReRAM的成本優(yōu)勢如此令人鼓舞的原因。

上圖：CrossBar的ReRAM可以嵌入SoC中，以實現(xiàn)板載快速，非易失性存儲。

最好的還在后頭

從工廠車間到數(shù)據(jù)中心，要充分利用計算資源而又不花很多錢，就需要一種全新的存儲方法。Energias市場研究公司預計，從現(xiàn)在到2025年，MRAM市場將快速增長，在復合年增長率為49.6％之后，將達到12億美元。Coughlin Associates預測，到2028年，作為Optane核心技術的3D XPoint存儲器將推動收入超過160億美元。顯然，存在對解決閃存，DRAM和SRAM即將到來的限制的新存儲器的需求。

也不必只有一個獲勝者。這三種新興內存類型可能共存于存儲層次結構的各個級別，并具有一個共同的目標：確保即將來臨的數(shù)據(jù)泛濫不會淹沒現(xiàn)有的訪問技術。帶有第二代Xeon可擴展處理器的服務器中，英特爾的Optane DC持久性內存已經(jīng)非常豐富。MRAM與SSD控制器一起用于代替DRAM的寫緩存。由于應用材料公司的Endura Impulse PV大批量生產系統(tǒng)，ReRAM比以往任何時候都更具可行性。如果您認真對待處理大量數(shù)據(jù)，那么未來五年將至關重要。現(xiàn)在是時候開始權衡您的選擇了。