存儲器芯片開發的主要挑戰是面對日益增長的微處理器性能提高，如何保持同步提供高吞吐速度與較低功耗？面對挑戰存儲器制造商選擇改變計算架構和移至更小的工藝節點生產。除此之外，很多業者也在尋找其他路徑，研發更先進的存儲器以替代當前的存儲器。

研發中的新一代存儲器可能會對未來的計算架構產生重大影響。經過許多年的研發，新一代存儲器的種類正在不斷增加，但仍有更多的新存儲器在研發的路上。

今天我們已經看到有許多新一代存儲器浮出水面，例如非易失性磁性隨機存儲器（MRAM）、相變存儲器（PCM）和電阻式記憶存儲器（ReRAM）。接下來的一些新存儲器可能是這些存儲技術的擴展，或者是基于全新的技術或體系結構的改變。例如有一種近內存或內存計算技術，會將計算任務帶到內存周邊或內存內部，可極大地提高計算效率。當然，這些存儲器能否最終成功現在還很難下定論，但我們可以斷定的是其中的某些技術很有前途，并有可能替代當今流行的DRAM、NAND和SRAM。

我們匯集了未來可能的新內存類型，它們是：

●FeFET或FeRAM：鐵電體隨機存取存儲器，與DRAM類似，可以在讀取操作中隨機存取每個獨立的位。FeFET存儲器使用的是鐵電材料，可以在兩種極化狀態之間快速切換。它可以在低功耗下提供高性能，同時還具有非易失性的附加優勢，FeFET有望成為新一代閃存器件。Fraunhofer、格羅方德和NaMLab從2009年就開始了FeFET的研發，SK 海力士、Lam等也有相關的研發計劃。

●相變存儲器：PCM是另一種高性能、非易失性存儲器，基于硫屬化合物玻璃。這種化合物有一個很重要的特性，當它們從一相移動到另一相時能夠改變它們的電阻。與基于NAND的傳統非易失性存儲器不同，PCM器件可以實現幾乎無限數量的寫入。此外，PCM器件的優勢還包括：訪問響應時間短、字節可尋址、隨機讀寫等，其也是諸多被稱為能夠“改變未來”的存儲技術之一。英特爾、IBM、三星、美光科技和松下都已經開始PCM的布局。

● ReRAM：電阻式隨機存取非易失性存儲器。ReRAM關閉電源后存儲器仍能記住數據。ReRAM可以由許多化合物制成，ReRAM的主要優勢在于其可擴展性、CMOS兼容性、低功耗和電導調制效應，這些優點讓ReRAM可以輕松擴展到先進工藝節點，能夠進行大批量生產和供應。所有這些都使ReRAM成為下一代存儲器的主要競爭者。未來將用于人工智能應用程序。Crossbar、東芝、Elpida、索尼、松下、美光、海力士、富士通等廠商都在開展ReRAM的研究和生產。在制造方面，中芯國際（SMIC）、臺積電（TSMC）和聯電（UMC）都已經將ReRAM納入自己未來的發展線路圖中。

● MRAM：非易失性的磁性隨機存儲器。以磁性方式存儲數據，但使用電子來讀取和寫入數據。磁性特征提供非易失性，電子讀寫提供速度。MRAM擁有靜態隨機存儲器（SRAM）的高速讀取、寫入能力，以及DRAM的高集成度，而且基本上可以無限次地重復寫入。不過，當前的MRAM存儲元件也有其明顯的產品短板。很多嵌入式系統都必須在高溫下運行，而高溫往往會損害MRAM的數據保存能力。另外，MRAM的保持力、耐久性和密度也需要得到進一步的提升。對于STT-MRAM的商業產品，Avalanche Technology、Spin Memory和Everspin Technologies都在布局。格羅方德、英特爾和三星等都已經宣布將MRAM列入自己未來的產品計劃中。

●除此以外，還有自旋軌道轉矩MRAM（SOT-MRAM），旨在取代SRAM的下一代MRAM。納米管RAM，納米管RAM的研發已有多個年頭了，皆在取代DRAM。也有人正在同一器件上開發碳納米管等下一代存儲器。

新一代存儲器還有更多的努力是向垂直方向推進。例如， 3D SRAM，它將SRAM堆疊在邏輯上，作為平面SRAM的潛在替代品。

當這些新的存儲器最終上市時，下一步會是什么業界很難下定論。“我們開始看到這些新興的或下一代的存儲器最終獲得更多的吸引力，但它們仍處于早期開發階段，”LAM Research的高級技術總監亞歷克斯尹說。

當前和未來的下一代存儲器還將面臨著其他挑戰。“隨著新材料、存儲概念和材料技術的出現，新的存儲類型激增，” KLA首席顧問ScottHoover表示。“這在材料和結構表征領域提出了重大挑戰。很有可能，技術進步和基本理解的節奏將取決于我們表征、測量、控制和改進獨特材料和結構的能力。”

總而言之，當前和未來的下一代存儲器可能會找到一個合適的位置，但它們不會主宰整個環境。Hoover說：“預計在未來5-10年內，新興內存作為獨立產品不會對現有NAND或DRAM市場造成重大阻礙。”

SRAM替代品

今天的系統集成了處理器、圖像處理以及內存和存儲，通常稱為內存/存儲層次結構。在當今層次結構的第一層，SRAM被集成到處理器中以實現快速數據訪問。下一層DRAM是獨立的，用于主內存。磁盤驅動器和基于NAND的固態存儲驅動器（SSD）用于存儲。

▲ 普適數據和計算源的新興存儲器

DRAM和NAND正努力跟上系統的帶寬和/或功率需求。DRAM很便宜，但它消耗能量，也不穩定，這意味著當系統斷電時，它會丟失數據。同時，NAND價格低廉且不易失，它在系統關閉時保留數據。但NAND和磁盤驅動器速度很慢。

因此多年來，業界一直在尋找一種“通用內存”，這種內存具有與DRAM和FLASH相同的屬性，可以取代它們。競爭對手是MRAM、PCM和ReRAM。新的存儲器提出了一些大膽的主張。例如，STT-MRAM具有SRAM的速度和閃存的非波動性，具有無限的持久性。與NAND相比，ReRAM速度更快，比特可調。

“對于技術開發人員，我們一直在設想，有一天，某種類型的通用內存或殺手級內存將能夠同時取代SRAM、DRAM和FLASH，”UMC產品營銷總監David Hideo Uriu說。“下一代存儲器仍然無法取代任何傳統存儲器，但它們可以結合存儲的傳統優勢，滿足利基市場的需求。”

一段時間以來，MRAM、PCM和ReRAM一直在出貨，主要面向利基市場。因此，DRAM、NAND和SRAM仍然是主流存儲器。

但在研發方面，行業正在研發一些新技術，包括潛在的SRAM替代品。一般來說，處理器集成了CPU、SRAM和各種其他功能。SRAM存儲處理器快速需要的指令。這叫做一級緩存。在操作中，處理器會從一級緩存請求指令，但CPU有時會錯過它們。因此處理器還集成了二級和三級緩存，稱為二級和三級緩存。

多年來，業界一直在尋找SRAM的替代品。這些年來有好幾個可能的競爭者。其中之一包括旋轉傳遞扭矩的MRAM（STT-MRAM）。STT-MRAM具有SRAM的速度和閃存的非波動性，具有無限的持久性。

STT-MRAM是一種具有磁隧道結（MTJ）存儲單元的單管結構。它利用電子自旋的磁性在芯片中提供不易揮發的特性。寫入和讀取功能在MTJ單元中共享相同的并行路徑。

Everspin已經在為固態硬盤供應SST-MRAM器件。此外，一些芯片制造商正專注于嵌入式STT-MRAM，它被分為兩個市場：嵌入式閃存替換和緩存。

為此，STT-MRAM正準備取代嵌入式NOR flash。此外，STT-MRAM的目標是取代SRAM，至少對于三級緩存。“STT-MRAM正朝著更密集地嵌入到SoCs的方向發展，在SoCs中，其較小的單元尺寸、較低的待機功耗要求和非易失性為更大且易失性強的SRAM提供了令人信服的價值主張，而SRAM則被用作通用的板載存儲器和末級緩存，”Veeco沉積和蝕刻市場高級營銷總監Javier Banos說。

▲ STT-MRAM的MJT細胞

但STT-MRAM的速度不足以取代一級和/或二級緩存的SRAM。還有一些可靠性問題。“我們相信，對于STT-MRAM，接入時間將在5ns到10ns之間飽和，”應用材料的Pakala說。“當您轉到一級和二級緩存時，我們認為您需要轉到SOT-MRAM。”

如今，SOT-MRAM最大的問題在于它只在50%的時間內進行切換，這就是為什么它仍處于研發階段。“與SRAM相比，SOT-MRAM具有潛在的優勢，如密度更高、功耗更低，因為它不易波動，”UMC的Uriu說。“需要將SOT-MRAM應用到具有成本效益的應用中，以滿足有意愿的客戶。”

事實上，SOT-MRAM還沒準備好。這個行業需要兩年或兩年以上的時間才能確定它是否可行。

與此同時，在研發方面，其他潛在的SRAM替代品，即3DSRAM，也在進行中。在3DSRAM中，SRAM芯片堆疊在處理器上，通過硅通孔（TSVs）連接。

DRAM競爭者

與SRAM一樣，業界多年來一直試圖取代DRAM。在當今的計算架構中，數據在處理器和DRAM之間移動。但有時這種交換會導致延遲和功耗增加，有時稱為內存墻。

DRAM在帶寬需求方面落后了。另外，在今天的1xnm節點上，DRAM的擴展速度正在減慢。

“我們的應用需要大量內存。隨著機器學習的發展，這個問題變得越來越嚴重。它們需要大量的存儲”斯坦福大學電子工程和計算機科學教授SubhasishMitra說。“如果你能把所有的存儲器都放在一個芯片上，會很美好。你不需要從芯片到DRAM，花費大量的精力和時間去訪問內存。所以我們必須采取措施。”

這里有很多選擇：堅持使用DRAM、替換DRAM、將DRAM堆疊到高帶寬內存模塊中，或者遷移到新的體系結構中。

好消息是DRAM并沒有停滯不前，業界正在從今天的DDR4接口標準向下一代DDR5技術遷移。例如，三星最近推出了一款12GB的LPDDR5移動DRAM設備。在5500mb/s的數據速率下，該設備的速度是LPDDR4芯片的1.3倍。

不過，將很難同時替換DRAM和NAND。它們價格便宜，經過驗證，可以處理大多數任務。此外，他們都有未來改進的路線圖。“NAND還有5年多的時間和3代多的時間。未來5年，DRAM將緩慢擴張，”MKW Ventures Consulting的負責人MarkWebb表示。“我們有可靠的新的存儲器，實際上是可用的以及可以出貨的。這些正在增長和增強，但還沒有到取代DRAM和NAND的時候。”

一種新的存儲類型正在獲得驅動力，即3D XPoint。3D XPoint是英特爾于2015年推出的一種基于PCM的技術。PCM用于固態顯示器（SSDs）和DIMMs，它將信息存儲在非晶和晶相中。

但英特爾在這項技術上遲到了。英特爾正在推出帶有3D XPoint的固態硬盤。“我在2015年做了一個預測，基于這樣一個假設，即英特爾將在2017年前推出DIMM。他們最終直到2019年才這么做，”客觀分析公司分析師Jim Handy表示。

盡管如此，英特爾的3D XPoint器件采用雙層堆疊結構，采用20nm的工藝，擁有128千兆的密度。MKW的Webb說：“這是一個很好的持久性內存，但它不能取代NAND或DRAM。”

現在，英特爾和美光正在開發下一個版本的PCM，將于2020年面世。據Webb介紹，下一代3D Xpoint可能基于20nm工藝技術，但它可能有四個堆棧。“我們希望它的密度增加兩倍。今天是128GB，我們預計下一代將達到256GB。”

當PCM正在加速發展時，諸如鐵電FETs（FeFETs）等其他技術仍在研發中。“在FeFET存儲單元中，鐵電絕緣體被插入標準MOSFET器件的柵極堆棧中，”鐵電存儲器（FMC）首席執行官Stefan Müller解釋道。

FMC和其他公司正在開發嵌入式和獨立FeFET器件。嵌入式FeFET將集成在控制器中。獨立器件可能成為新的內存類型或DRAM替換。“FeRAM是一個很好的替代品，它比DRAM消耗的能量要少得多。但可靠性需要提高，”LAM的Yoon說。

與此同時，多年來，Nantero公司一直在為嵌入式和DRAM替代開發碳納米管RAM。碳納米管是柱狀結構，具有很強的導電性。在研發階段，Nantero的NRAMs比DRAM和非易失性FLASH更快。但這比預期的商業化時間要長。

富士通是NRAMs的第一個客戶，預計將在2019年出樣品，2020年投產。

碳納米管正在向其他幾個方向發展。2017年，DARPA推出了幾個項目，包括3DSoC。麻省理工學院、斯坦福大學和Skywater是3DSoC項目的合作伙伴，該項目的目標是開發一個單片3D器件，ReRAM被堆疊在碳納米管邏輯之上。ReRAM是基于電阻元件的電子開關。

這項技術仍處于研發階段，它并不是DRAM的替代品。相反，它屬于所謂的計算內存類別。目標是使內存和邏輯功能更接近，以緩解系統中的內存瓶頸。

人工智能存儲

在多年的工作中，ReRAM曾經被吹捧為NAND的替代品。但是NAND的擴展比以前想象的要遠，導致許多人重新定位。

今天，一些人正在研究嵌入式ReRAM。其他人正在為面向利基的應用開發獨立的ReRAM。從長遠來看，ReRAM正在拓展其視野。它的目標是人工智能應用或DRAM的替代品，或者兩者兼而有之。

一家名為Crossbar的ReRAM公司正在開發一種可能取代DRAM的獨立器件。這涉及到一個帶有ReRAM和邏輯的類似Crossbar的架構。

“在與客戶（尤其是在數據中心）交談之后，最大的痛點是DRAM，而不是NAND。“這是因為功耗和成本，” Crossbar負責戰略營銷和業務發展的副總裁Sylvain Dubois說。“對于高密度的獨立應用，我們的目標是在數據中心為讀取密集型應用更換DRAM。DRAM的密度是原來的8倍，成本降低了約3到5倍，這大大降低了TCO，同時也大大節省了超大規模數據中心的能源。”

Crossbar的ReRAM技術也是機器學習的目標。機器學習涉及神經網絡。在神經網絡中，系統處理數據并識別模式。它匹配某些模式并學習其中哪些屬性是重要的。

Crossbar的ReRAM技術也是機器學習的目標。機器學習涉及神經網絡。在神經網絡中，系統處理數據并識別模式。它匹配某些模式并學習其中哪些屬性是重要的。

神經形態計算也使用神經網絡。為此，先進的ReRAM正試圖在硅中復制大腦。我們的目標是利用精確定時的脈沖模擬信息在器件中的移動方法，在這一領域，特別是在材料方面，有很多研究正在進行中。

“最大的問題是需要做什么才能真正實現這一目標，”Brewer Science半導體業務執行董事SrikanthKommu說。“圍繞材料能否在這一領域有所作為，有很多研究。現在，一切還不確定。”

材料有兩個方面。一個是速度和耐用性，第二個問題涉及可制造性和缺陷性，這兩個因素都會影響產量和最終成本。“其中很多都是基于公差和缺陷，”Kommu說。“如果缺陷率是100，你需要每兩年改進70%。”

隨著AI/ML的采用和推廣，出于功能和性能方面的原因，人們對神經形態結構的興趣與日俱增。Leti和Reram的初創公司Weebit Nano最近展示了一種神經形態計算，他們在系統中執行對象識別任務。

演示使用了Weebit的Reram技術，運行推理任務使用了Spiking神經網絡算法。“人工智能正在迅速發展，“ Weebit首席執行官CobyHanoch表示，“我們看到了人臉識別、自動駕駛汽車以及醫療預測等領域的應用。

結論

STT-MRAM還提出了一個DRAM替代方案。但是，STT-MRAM或其他新的存儲器不會改變DRAM或NAND目前的地位。

不過，下一代的存儲器還是值得關注的。到目前為止，它們還沒有打破現有行業的平衡。但在不斷變化的存儲器市場上，它們正在削弱現有的存儲器公司。“我們正處在一個擁有新興內存技術的地方，這場競賽還沒有贏得勝利，”Objective Analysis的Handy給出了這樣的結論。