這是2021年數(shù)字存儲(chǔ)和存儲(chǔ)器行業(yè)的最新?tīng)顟B(tài)和預(yù)測(cè)的第二部分。第一部分涉及磁記錄的預(yù)測(cè)（HDD和磁帶）。第二部分將重點(diǎn)介紹固態(tài)存儲(chǔ)和內(nèi)存的當(dāng)前狀態(tài)和預(yù)測(cè)。我們還將討論固態(tài)設(shè)備互連和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，特別是NVMe和光纖上NVMe（NVMe-oF）以及CXL和Gen Z，它們將在2021年及以后的年份影響計(jì)算機(jī)和嵌入式設(shè)備架構(gòu)。我們還提供了有關(guān)2020 IEEE IEDM會(huì)議的見(jiàn)解。

NAND閃存正在成為數(shù)據(jù)中心和企業(yè)中的主要存儲(chǔ)，并且是智能手機(jī)等消費(fèi)類產(chǎn)品中選擇的存儲(chǔ)介質(zhì)。從全閃存陣列（AFA）到混合閃存系統(tǒng)，2021年的活動(dòng)數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)在SSD上，而二級(jí)或較冷的存儲(chǔ)將存儲(chǔ)在HDD或磁帶上。

SSD公司還對(duì)帶有144層或更高層級(jí)NAND閃存（美光宣布2020年在Crucial消費(fèi)類SSD產(chǎn)品中發(fā)布176層NAND閃存）和可存儲(chǔ)4個(gè)存儲(chǔ)單元的四級(jí)單元（QLC）閃存施加二級(jí)存儲(chǔ)HDD的壓力。每個(gè)閃存單元1位。下面是TechInsights在2020年閃存峰會(huì)上由Joengdong Choe提出的閃存路線圖，其中顯示了NAND閃存的歷史和計(jì)劃進(jìn)展。

2020 FMS的TechInsights NAND閃存路線圖

最近的閃存年度內(nèi)存密度進(jìn)步達(dá)到30％以上的累積年增長(zhǎng)率（CAGR），而HDD不足10％。據(jù)推測(cè)，能量輔助磁記錄將在未來(lái)幾年內(nèi)提高HDD的面密度，為二級(jí)存儲(chǔ)中的HDD提供防御，但時(shí)間可以證明。

1TB內(nèi)存容量的手機(jī)現(xiàn)在可以從許多公司購(gòu)買，包括三星，蘋果和谷歌（以及其他幾家公司）。下圖顯示了具有最高1TB內(nèi)存的Samsung S10 +的圖像。在當(dāng)前NAND閃存供過(guò)于求的情況下，較低的NAND閃存價(jià)格將鼓勵(lì)廠商在較低價(jià)格的移動(dòng)設(shè)備中提供更多的存儲(chǔ)容量。到2021年大部分時(shí)間，NAND閃存的供過(guò)于求（并因此價(jià)格降低）可能會(huì)持續(xù)下去。

更高性能的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)更豐富的內(nèi)容流或下載。更高的存儲(chǔ)容量，再加上更高分辨率的手機(jī)屏幕和攝像頭，也將導(dǎo)致更高的存儲(chǔ)容量消耗，并需要高性能的存儲(chǔ)接口。eMMC接口的數(shù)據(jù)速率受到限制，具有GBps級(jí)吞吐量的UFS接口將在2021年及未來(lái)的移動(dòng)設(shè)備中扮演更大的角色。

除了移動(dòng)設(shè)備中的更多閃存之外，NOR閃存縮放的局限性以及這些設(shè)備中AI應(yīng)用程序的日益使用可能會(huì)推動(dòng)這些設(shè)備中使用的固態(tài)存儲(chǔ)器/存儲(chǔ)的更多變化。如下所述，MRAM和RRAM開(kāi)始出現(xiàn)在嵌入式設(shè)備中，取代了NOR閃存和SRAM，尤其是啟用了更密集的存儲(chǔ)器AI推理引擎。這些都是非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，它們?cè)谑謾C(jī)中的未來(lái)使用可以幫助降低功耗并在給定尺寸的裸片中改善AI性能，這都是緊湊型電池供電的移動(dòng)設(shè)備中的重要元素。

現(xiàn)在，NVMe接口已成為新存儲(chǔ)系統(tǒng)產(chǎn)品中占主導(dǎo)地位的SSD接口，取代了SATA和SAS。NVME的這種使用將在2021年增長(zhǎng)。此外，特別是使用光纖通道和以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的光纖網(wǎng)絡(luò)上的NVMe（NVMe-oF）正在支持包括計(jì)算存儲(chǔ)在內(nèi)的下一代存儲(chǔ)系統(tǒng)（有關(guān)此內(nèi)容以及CXL和GenZ在2021年數(shù)字存儲(chǔ)項(xiàng)目第3部分中介紹）。

下圖是當(dāng)前NVMe路線圖，顯示了2020年和2021年NVMe 2.0的發(fā)布，包括NVMe傳輸規(guī)范。甚至業(yè)界都在談?wù)搶⒕哂斜緳C(jī)以太網(wǎng)接口的HDD引入本機(jī)集成NVMe存儲(chǔ)系統(tǒng)。

NVMe規(guī)范路線圖

英特爾最近宣布了其第二代和第三代Optane（3D XPoint）內(nèi)存。第二代（4層）基于DIMM（PMem）的Optane產(chǎn)品于2019年推出，該公司于2020年12月推出了Optane NVMe SSD。代號(hào)為Crow Pass的第三代Optane內(nèi)存將與未來(lái)的至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器一起提供。（代號(hào)為Sapphire Rapids）到云和企業(yè)客戶。

英特爾基于DIMM的永久性存儲(chǔ)器的發(fā)展路線圖表明，它與幾代至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器緊密相連。除了在2020年和2021年推出200系列PMem產(chǎn)品外，下表還顯示了至少兩代Optane PMem，以支持未來(lái)的Xeon處理器。

英特爾傲騰PMem路線圖

英特爾的Optane產(chǎn)品已被多家OEM和云提供商采用，因?yàn)樗鼈兊?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/dram/" target="_blank">DRAM存儲(chǔ)器價(jià)格便宜，而NVMe SSD速度更快。美光于2019年發(fā)布了自己的NVMe 3D XPoint SSD，最近我聽(tīng)說(shuō)他們已經(jīng)獲得了客戶的資格認(rèn)證。Optane SSD和DIMM存儲(chǔ)系統(tǒng)的使用量將于2021年增加。

通常在舊金山舉行的2020 IEEE國(guó)際電子設(shè)備會(huì)議（IEDM）上有有趣的內(nèi)存公告，但實(shí)際上是在2020年虛擬會(huì)議上舉行。CMU和ETH Zurich的Onur Mutlu在以內(nèi)存為中心的計(jì)算系統(tǒng)上作了一次全體會(huì)議，指出計(jì)算系統(tǒng)總內(nèi)存中約有63％用于移動(dòng)數(shù)據(jù)（基于2018年Google在消費(fèi)者設(shè)備上的演示）。他談到了處理數(shù)據(jù)所保留的價(jià)值以及通過(guò)使用低成本數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理以及智能數(shù)據(jù)管理來(lái)提供低延遲和低能耗的數(shù)據(jù)訪問(wèn)的價(jià)值。

新興的高性能非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，例如磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（MRAM），電阻性RAM（RRAM），相變存儲(chǔ)器（PCM）和鐵電RAM（FRAM），與新的存儲(chǔ)器和計(jì)算架構(gòu)相結(jié)合，將能夠?qū)崿F(xiàn)更強(qiáng)大的計(jì)算和存儲(chǔ)系統(tǒng)。

美光公司的Naga Chandrasekaran在全體會(huì)議上談到了DRAM的擴(kuò)展工藝挑戰(zhàn)以及傳統(tǒng)存儲(chǔ)器的潛在替代方案。下圖來(lái)自他的演講，顯示了對(duì)各種常規(guī)和新興內(nèi)存技術(shù)的比較。

新興內(nèi)存格局

英特爾談到了一種使用堆疊式反鐵電HZO電容器的3D嵌入式DRAM，具有長(zhǎng)達(dá)1小時(shí)的保留時(shí)間和10的12次方個(gè)耐久周期。英特爾還展示了以垂直方式堆疊四個(gè)AFE容量，表明密度增加是可能的。意法半導(dǎo)體（ST Microelectronics）與CEA-Leti共同發(fā)表了一篇針對(duì)汽車SoC的28nm FDSOI（單元尺寸= 0.019μm 2）嵌入式相變存儲(chǔ)器（PCM）技術(shù)的論文，該技術(shù)滿足了嚴(yán)格的AEC-Q100 0級(jí)汽車可靠性標(biāo)準(zhǔn)。

CEA-Leti發(fā)表了兩篇論文，介紹了將3D架構(gòu)與電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RRAM）結(jié)合用于內(nèi)存計(jì)算的優(yōu)勢(shì)及其在邊緣AI和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。論文探討了各種不同的方式來(lái)利用3D的優(yōu)勢(shì)來(lái)降低設(shè)備能耗以及數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的能量損失。

IBM透露了用于嵌入式MRAM的14nm節(jié)點(diǎn)STT-MRAM，用于最后一級(jí)的CPU緩存，以解決混合云系統(tǒng)中的內(nèi)存計(jì)算瓶頸。IBM還展示了具有3ns開(kāi)關(guān)和開(kāi)關(guān)電流緊密分布的先進(jìn)磁性材料。IBM表示，這些交換速度特性是將MRAM用作最后一級(jí)緩存的又一關(guān)鍵步驟。關(guān)于MRAM及其在各種嵌入式應(yīng)用中的使用，還進(jìn)行了其他一些演示。

2020年，有幾項(xiàng)關(guān)于在各種SoC的嵌入式存儲(chǔ)器中使用STT MRAM和RRAM的公告。臺(tái)積電由Ambiq和Numen生產(chǎn)的產(chǎn)品正在將MRAM用于AI應(yīng)用，包括消費(fèi)設(shè)備推理引擎和用于太空分布式計(jì)算的NASA深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）設(shè)備。下方顯示了由臺(tái)積電代工廠制造的Ambiq芯片以及2MB的MRAM。臺(tái)積電還表示，RRAM具有嵌入式設(shè)備和產(chǎn)品的資格，應(yīng)在2021年之前宣布。

支持Ambiq MRAM的嵌入式設(shè)備

包括MRAM和3D XPoint內(nèi)存在內(nèi)的新內(nèi)存技術(shù)將在2021年及以后的年份中得到越來(lái)越多的使用。以下來(lái)自Coughlin Associates和Objective Analysis的最新報(bào)告的幻燈片顯示，預(yù)計(jì)到2030年NAND閃存，DRAM，3D XPoint和MRAM的年出貨量將增長(zhǎng)。在獨(dú)立和嵌入式應(yīng)用的推動(dòng)下，到2030年，新興存儲(chǔ)器的總收入將可能超過(guò)$ 36B。

預(yù)計(jì)的年度內(nèi)存出貨量

隨著存儲(chǔ)數(shù)據(jù)總量的增加，對(duì)所有類型的存儲(chǔ)技術(shù)的總體需求持續(xù)增長(zhǎng)。這種存儲(chǔ)容量需求將推動(dòng)對(duì)所有類型的存儲(chǔ)技術(shù)的需求。下圖顯示了我們的歷史趨勢(shì)以及磁帶，HDD和SSD的已存儲(chǔ)存儲(chǔ)容量增長(zhǎng)的預(yù)測(cè)。請(qǐng)注意，磁帶現(xiàn)在包括IBM企業(yè)以及LTO容量。

磁帶，SSD和HDD年度出貨量的歷史和預(yù)測(cè)

在NAND閃存的廣泛使用的推動(dòng)下，固態(tài)存儲(chǔ)現(xiàn)在已成為許多應(yīng)用程序中的主要存儲(chǔ)。NVMe現(xiàn)在是主要的SSD接口，支持新的網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)架構(gòu)。MRAM和3D XPoint存儲(chǔ)器出現(xiàn)在許多存儲(chǔ)/存儲(chǔ)器產(chǎn)品中，并且NOR，SRAM和DRAM擴(kuò)展的放緩也為RRAM和FRAM存儲(chǔ)器打開(kāi)了機(jī)遇。

參考鏈接//www.forbes.com/sites/tomcoughlin/2021/12/29/digital-storage-projections-for-2021-part-2/?sh=42e2f9096cfd

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：2021年的數(shù)字存儲(chǔ)預(yù)測(cè)(第二部分)

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