存储器占整个半导体市场规模超 20%,具有极高的技术壁垒和资本壁垒,存储器似乎是巨头的一场游戏竞技,三四个寡头已垄断全球 90%以上的市场。近几年来,随着移动智能终端快速渗透以及产品需求的高速增长,存储器也从中受益。


如今,我国半导体的崛起押宝在存储器上,这样的做法的也是有先例可循的。日本、韩国都是从存储器“起家”,日本半导体可谓成也 DRAM,败也 DRAM;韩国窥见日本秘笈,成就存储霸主。三星及海力士两家垄断的局面己经持续多年,三星己连续 24 年称霸全球。


DRAM 方面,三星、海力士及美光成最后的胜者;NAND 方面,三星、东芝 / 新帝、海力士以及美光 / 英特尔是最大的赢家。


如今在走在岔路口的东芝欲将最挣钱的存储业务出售,存储格局也将被改写。


竞争如此激烈,各巨头又是如何布局下一代存储器技术的?

 

今天《趣科技》我们就来说说游戏升级,存储巨头将如何继续下去。


存储器是现代信息技术中用于保存信息的记忆设备。其覆盖的范围非常广泛:在数字系统中,只要能保存二进制数据的都可以是存储器;在集成电路中,一个没有实物形式的具有存储功能的电路也叫存储器,如 RAM、FIFO 等;在系统中,具有实物形式的存储设备也叫存储器,如内存条、TF 卡等。


我们先来看一下存储器的分类情况:



多年来,业界一直在寻找一种可以解决延迟差距的新型内存类型。理论上,该技术将具有 DRAM 的性能和闪存的成本和非易失性特性。而在短期内,下一代技术不太可能取代现有的内存,因为 DRAM、 NAND 都很便宜,成本是一大问题。


下面我们就来看看哪些是下一代存储器技术。


3D XPointZ-SSDMRAMReRAM 都被看作是下一代存储器。


 

3D XPoint

美光在韩国双雄三星和 SK 海力士的攻击下,DRAM 和 Flash 业务发展都不如预期,所以美光与 Intel 合力开发了这种新型的存储技术。


3D-Xpoint 是一种基于闪存颗粒的存储技术的革命,它的诞生将改变 NAND 传统的存储规则,从根本上提高闪存颗粒的存储性能,从而极致的提高以固态硬盘为代表的存储设备的读写表现。3D XPoint 是自 1989 年 NAND 闪存推出至今的首款基于全新技术的非易失性存储器,集 NAND 类似的容量和 DRAM 类似的性能于一身。


美光、Intel 将会各自推出了自家的产品,美光的叫做 QuantX,Intel 的是 Optane。

 

3D XPoint 被认为是改变行业游戏规则的革命性技术,有这四大亮点:
1. 其速度是 NAND Flash 的 1000 倍
2. 其成本大约是 DRAM 的 1/2
3. 其使用寿命是 NAND 高出 1000 倍
4. 其密度是传统存储器的 10 倍


工作原理如下图所示:


3D XPoint 市场潜力巨大,Intel 和美光将 3D XPoint 的市场定位在高端 SSD 和 DDR4 NVDIMM,是一个适合企业级应用的产品。对于 SSD 应用,3D XPoint 其复杂的制造工艺导致成本较高。另一方面,DDR4 NVDIMM 对于 3D XPoint 来说是一个很好的切入点,因为 3D XPoint 的读取延时很低(大约在 100ns 左右)。预计 3D XPoint 量产后很长一段时间是无法取代 DRAM 的。

 

Z-SSD

三星推出了 Z-SSD 新技术,将其性能水平定位在 SSD 与 DRAM 之间,剑指美光与英特尔的 XPoint 技术。


Z-SSD 基于 NAND 技术,目标应用是高端企业 SSD。Z-SSD 采用了新的电路设计和控制器,实现了比现有高端 SSD 低 4 倍的延迟和 1.6 倍的顺序读取。三星采用 V-NAND 基础结构并配合一套独特的电路设计及控制器,能够最大程度提升性能水平,其延迟与连续读取性能水平分别达到三星 PM863 NVMe SSD 的四分之一与 1.6 倍。


PM963 的最高连续读取传输带宽为每秒 1.6 GB,而新一代 Z-SSD 的同项参数则可提升至每秒 2.56 GB。不过其延迟水平则要靠估计,因为三星没有公布过 PM963 的延迟。美光 9100 NVMe SSD 的写入延迟为 30 纳秒,同等比较之下这可能意味着 Z-SSD 的延迟为 7.5 纳秒,与英特尔的 Optane XPoint 7 纳秒延迟基本相当。


Z-SSD 具有独特的电路设计,似乎在说明采用的是 SLC 芯片,这意味着其在基础层面拥有远超 MLC 或者 TLC 产品的读取与写入速度。

 

MRAM

MRAM 全称是磁性随机访问存储器。目前,MRAM 的诸多研究中,已经可以开始生产的产品结构被称为 STT MRAM(自旋转移力矩磁性随机访问存储器)。IBM 公司在 MRAM(磁性随机访问存储器)领域已经投入了二十年时间。最初 IBM 配合摩托罗拉希望打造一款场交换式 MRAM,如今 IBM 联手三星致力于全新的 MRAM 技术——STT MRAM。其中的每个 bit 单元都包含一个晶体管外加一条垂直排列的隧道交叉点。该隧道交叉点包含两个磁体,其一的北极永远指向上,其二则为自由磁体、其北极可在向上与向下间切换以代表存储 0 或者 1。其只需要 7.5 微安电流通过即可实现偏振方向编程。

 

工作原理:
单一场效应晶体管(FET)通过 STT MRAM 内的一条垂直磁性隧道交叉点(MRJ)实现读写电流控制。位于堆叠结构底部的 FET 接入该 MRJ,后者则由钴 - 铁 - 硼(CoFeB)化合物层构成,同时配合固定旋转取向的镁氧化物(MgO)隧道栅极以及可进行自旋转变以代表 0 与 1 的 CoFeB 顶层。此堆叠体系还辅以另一 MgO 层,旨在强化垂直磁体各向异性(简称 PMA)并降低自旋电流流失。

 

 

STT MRAM 的关键性优势在于结合了非易失性与无限使用寿命,这不同于当前乃至可预见的未来所存在的任何其它存储技术。另外,其亦通过对 bit 以及磁性材质垂直异向性的优化拥有极长的数据驻留周期。

 

相比目前的 DRAM 或者 SRAM,MRAM 的优势还是非常明显的。包括它的高可制造性、高数据密度、高速度、非易失性和耐久性等。似乎 MRAM 成为“万能内存王”指日可待。

 

ReRAM

ReRAM 是基于电阻式随机存取的一种非易失性存储器,它可将 DRAM 的读写速度与 SSD 的非易失性结合于一身,同时具备更低的功耗及更快的读写速度。虽然 ReRAM 的名字中带 RAM,但其实是像 NAND 闪存那样用作数据存储的 ROM,只不过它的性能更强。


其密度比 DRAM 内存高 40 倍,读取速度快 100 倍,写入速度快 1000 倍。ReRAM 单芯片(200mm 左右)即可实现 TB 级存储,还具备结构简单、易于制造等优点。ReRAM 存储芯片的能耗可达到闪存的 1/20,数据擦写上限是后者的 10 倍。

 

作为存储器前沿技术,ReRAM 未来预期可以替代目前的 FlashRAM,并且具有成本更低、性能更突出的优势。

 

ReRAM 基于忆阻器原理,将 DRAM 的读写速度与 SSD 的非易失性结合于一身。关闭电源后存储器仍能记住数据。如果 ReRAM 有足够大的空间,一台配备 ReRAM 的 PC 将不需要载入时间。


中芯国际已正式出样采用 40nm 工艺的 ReRAM 芯片,并称更先进的 28nm 工艺版很快也会到来。

 

存储拼得是什么?似乎已不止是容量,下一代存储器,谁能称王,时间会是最好的答案。

 

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