快速、非易失性、高耐久和低邏輯狀態(tài)開關(guān)能耗，這些特質(zhì)全部匯聚在一個(gè)通用內(nèi)存上過(guò)去被認(rèn)為是不可能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樗鼈兯璧奈锢硖匦允窍嚆５摹鹘y(tǒng)意義上來(lái)說(shuō)，快速、高耐久的內(nèi)存往往配以脆弱易丟失的邏輯狀態(tài)，甚至需要不斷刷新，比如我們的DRAM動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。而非易失性的邏輯狀態(tài)往往又需要大量能耗來(lái)完成開關(guān)，久而久之就會(huì)慢慢破壞存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)，降低其耐用性，比如我們的Flash閃存。

即便如此，對(duì)于全能通用內(nèi)存的追求一直沒有停歇，近年來(lái)也涌現(xiàn)了不少創(chuàng)新技術(shù)，比如電阻式的ReRAM、磁性的MRAM或是相變的PCM等等。這些內(nèi)存技術(shù)同樣獲得了驚人的進(jìn)展，或多或少都進(jìn)入了商業(yè)化的階段，比如三星最近就宣布首次實(shí)現(xiàn)了基于MRAM的存內(nèi)計(jì)算，未來(lái)很可能在AI和可穿戴設(shè)備上得到普及。但這些技術(shù)雖然解決了易失性的問題，邏輯狀態(tài)穩(wěn)定性和開關(guān)能耗的問題依舊未能獲得改善。

而近日一種名為ULTRARAM的技術(shù)進(jìn)入了我們的視野，并宣稱有希望成為下一代通用內(nèi)存。

ULTRARAM

這里的ULTRARAM可不是賽靈思UltraScale+ FPGA中的SRAM Ultraram，而是英國(guó)蘭卡斯特大學(xué)研究人員提出的一種全新的通用內(nèi)存?zhèn)溥x技術(shù)。ULTRARAM同樣是一種非易失性的內(nèi)存技術(shù)，通過(guò)三重勢(shì)壘的諧振隧穿異質(zhì)結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)電子在浮柵的快速和超低能耗存儲(chǔ)。而蘭卡斯特大學(xué)的研究人員已經(jīng)完成了該技術(shù)在硅基底上的實(shí)現(xiàn)，這也是走向大規(guī)模量產(chǎn)的重要成果。

ULTRARAM的異質(zhì)結(jié)構(gòu) / 先進(jìn)電子材料

ULTRARAM的異質(zhì)結(jié)構(gòu)主要基于III-V族化合物，利用砷化銦的量子阱和銻化鋁的勢(shì)壘，創(chuàng)造出了一個(gè)三重勢(shì)壘的諧振隧穿（TBRT）結(jié)構(gòu)。相對(duì)于組成浮柵的砷化銦來(lái)說(shuō)，銻化鋁2.1 eV的導(dǎo)帶偏移為電子通過(guò)提供的勢(shì)壘與閃存中二氧化硅電介質(zhì)相當(dāng)。只需施加2.5V左右的低電壓，勢(shì)壘就會(huì)對(duì)電子呈現(xiàn)透明的狀態(tài)。加上極小的電容，ULTRARAM單位面積的開關(guān)能量損耗相較DRAM和閃存分別減少了100和1000倍。

除此之外，高耐久性也是ULTRARAM的另一大優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)設(shè)備的進(jìn)一步測(cè)試，蘭卡斯特大學(xué)的研究人員得出了喜人的結(jié)果，數(shù)據(jù)保存壽命可達(dá)1000年，程序/擦除周期可達(dá)1000萬(wàn)次，這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)相較Flash閃存來(lái)說(shuō)又是百倍以上的提升。

其實(shí)早在2016年，歐洲就投了一百萬(wàn)歐元用于銻化物在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用上的研究，并開展了為期三年的研究，由四大歐洲學(xué)府參與研究，其中之一正是英國(guó)蘭卡斯特大學(xué)。如今ULTRARAM也終于有了成為通用內(nèi)存?zhèn)溥x技術(shù)的巨大突破，那么它有沒有機(jī)會(huì)成功替代傳統(tǒng)的內(nèi)存和存儲(chǔ)呢？我們不妨看看業(yè)內(nèi)做的其他嘗試再下定論。

非易失性內(nèi)存的嘗試

相信大家或多或少都聽過(guò)英特爾的傲騰持久內(nèi)存，憑借極高的性能，傲騰收獲了一批企業(yè)用戶。盡管傲騰給出的愿景很美好，但從事實(shí)角度來(lái)看，在英特爾去年第三季度的財(cái)報(bào)中，傲騰業(yè)務(wù)在2020年的前九個(gè)月中虧損了4.73億美元，而同樣布局3D XPoint的美光也在去年上半年停止了開發(fā)。

傲騰H20混合式固態(tài)盤 / 英特爾

這一切都說(shuō)明傲騰的市場(chǎng)反響并不好，主要原因就是它的成本和擴(kuò)展性。與NAND等競(jìng)品相比，傲騰從價(jià)格/容量上來(lái)看實(shí)在是一個(gè)昂貴的選擇，英特爾寧愿放棄NAND業(yè)務(wù)，也要維持住虧損的傲騰一是因?yàn)轶w量大能夠承受這樣的損失，二是他們看好傲騰在智能NIC和DPU上的潛力。不過(guò)既然英特爾放棄了傲騰在桌面PC上的方案，也就稱不上所謂的“通用”內(nèi)存了。

MRAM / Everspin

此外就是我們?cè)谏衔奶岬降腗RAM，其實(shí)三星在MRAM上的突破或多或少也緩解了傳統(tǒng)存儲(chǔ)介質(zhì)在能耗上的問題，但MRAM歸根結(jié)底也沒有解決容量的問題，無(wú)法作為真正意義上的通用內(nèi)存方案。就拿專注于MRAM的Everspin來(lái)說(shuō)，他們的MRAM方案雖然做到了GB級(jí)，但主要也是面向IoT、汽車等對(duì)容量沒有過(guò)大需求的市場(chǎng)。

小結(jié)

說(shuō)到這里，想必大家也都知道了這類非易失性內(nèi)存想要成功所需的最終并不是性能，而是成本、量產(chǎn)難度和擴(kuò)展性。ULTRARAM目前還是停留在研究階段，最終能否從一眾備選技術(shù)中殺出重圍，還是先看量產(chǎn)制造上會(huì)不會(huì)遇到阻礙吧。