人類文明誕生以來，科技的發展都離不開網絡、存儲和計算，而數據存儲的發展歷史悠久，堪稱萬年進化史。本文將從數據存儲技術最初的“形態”談起，陸續介紹數據存儲技術在不同時代的“故事”，最后介紹新時代的存儲“新發明”。人類文明誕生以來，科技的發展都離不開網絡、存儲和計算，而數據存儲的發展歷史悠久，堪稱萬年進化史。最初的遠古時代，人類利用結繩、刻字等方法記錄信息；造紙術和印刷術的發明使信息記錄、傳播發生了革命性變革；18世紀初期，工業革命開始萌芽，數據存儲技術經歷了從打孔卡、磁存儲、硬盤到閃存、新型存儲階段的跨越；直到今天，DNA存儲、量子存儲、納米存儲技術的發明，人類探索高效存儲信息的腳步也從未停止。本文將從數據存儲技術最初的“形態”談起，陸續介紹數據存儲技術在不同時代的“故事”，最后介紹新時代的存儲“新發明”。

引言 ? ? ? ?

《周易·系辭》云：“上古結繩而治”。這句話對結繩記事的描述，記載著早期人類信息存儲的方式。在文字誕生之后，造紙術發明之前，人類開始采用在甲骨、竹簡、帛書等物件上記錄信息；待造紙術和印刷術發明后，書寫盛行，極大地促進了文化傳播與交流，加快了人類思想解放與社會進步。

數據存儲技術的發展，可以說是一段漫長而又充滿神奇色彩的歷程，承載著人類智慧與技術創新。從最早的打孔卡開始，它逐漸經歷了磁存儲、硬盤、閃存，以及現在的云存儲；這一路的發展不僅見證了數據存儲技術的飛速進步，也反映了人類對信息記載與保存的不斷追求。

圖1 數據存儲技術發展歷程

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機械存儲時代

18世紀初，工業革命開始萌芽，數據存儲技術首次以機械化形式的打孔卡和打孔帶出現在公眾視野中，被用在提花織機和工業機器中。1846年，傳真機和電傳電報機的發明人Alexander Bain將打孔帶技術引入電報機，這是數據第一次被轉變為二進制信息，大幅提升了工作效率；打孔卡和打孔帶直至80年代也仍被使用，持續了兩個多世紀。

1890年，為收集和統計美國人口普查數據，在打孔卡技術的基礎上，德裔美國統計學家Herman Hollerith發明了打孔卡制表機，僅耗費6周就完成了對美國人口普查的統計；1896年，他又創辦了制表機器公司（Tabulating Machine Company），即IBM公司的前身。因此，Herman Hollerith也被稱為現代機械數據處理之父。

打孔卡制表機的發明，帶來了巨大的效率提升，從而迅速普及，標志著半自動化數據處理系統時代的開始，后來逐漸被廣泛應用于工業檢索及數據統計領域；打孔卡制表機最多可記錄960 bits的信息數據，其中穿孔卡和穿孔紙帶類似于早期計算機中的輸入和輸出設備，原理是將程序和數據轉換為二進制代碼，其中帶孔為1，無孔為0，再經過光電掃描輸入電腦。

圖3 穿孔紙帶順序控制原理

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磁存儲時代

打孔卡制表機畢竟屬于機械式存儲技術，雖然相比傳統人力有了較大提升，但仍存在存儲量低、故障率高等問題。18世紀末，電信號技術的發明宛如一陣清風，將磁介質存儲時代的序幕緩緩拉開，人類開始進入由機械向電子過渡的階段；最早關于磁介質的相關發現，是Oberlin Smith于1888年在英國《電氣世界》雜志上發表的一篇可采用磁性介質記錄聲音的文章。

1898年，丹麥工程師Valdemar Poulsen將Oberlin Smith的想法付諸實踐，在電報機中引入了磁線技術，發明了人類第一個實用的磁聲記錄和再現設備，即磁線電報機，其原理是通過磁頭對聲音電信號進行傳輸和記錄。1928年，在磁線電報機的基礎上，德國工程師Fritz Pfleumer發現移動過程中的磁帶被磁化的程度會隨音頻信號電流的強弱而變化，從而能將音頻記錄在磁帶上，從而發明了錄音磁帶，錄音磁帶的發明標志著磁性存儲時代的正式開啟。

隨著工業化和信息化的不斷發展，數據信息需要更高效、更便捷的存儲方式，1932年，奧地利工程師Gustav Tauschek發明的磁鼓存儲器使得磁存儲技術躍上新臺階；它是一種利用高速旋轉的圓柱體磁性表面作記錄媒體的存儲設備，由磁鼓筒，磁頭，讀寫及譯碼電路和控制電路等主要部分組成，長度為16英寸，有40個磁道，每分鐘可旋轉12500轉，容量約為62.5KB；其原理是通過電磁感應進行信息的讀寫，在磁芯存儲器出現之前廣泛用于計算機內存，同時也用于做二級存儲，被認為是機械硬盤（Hard Disk Drive，HDD）的前身。

第二次世界大戰爆發后，軍事需求大大刺激了算力的發展。1942年，美國愛荷華州立大學物理系副教授John Vincent Atanasoff和他的學生Clifford Berry設計制造了世界上第一臺電子計算機ABC（Atanasoff-Berry Computer），也稱為“珍妮機”；對于I/O設備，ABC使用了IBM的80列穿孔卡，采用真空管處理二進制數據，利用再生電容磁鼓存儲器對數據進行存儲。

在電子計算機誕生的浪潮下，人類算力正式進入數字電子計算機時代之前，人類還探索過幾條存儲路線。1946年，波蘭發明家Jan A. Rajchman團隊發明的靜電記憶管Selectron Tube是最早的隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM），使用靜電荷存儲數據在真空管內，能夠短暫存儲大約4000字節。1947年，Freddie Williams和Tom Kilburn發明了類似原理的威廉姆斯-基爾伯恩管（Williams–Kilburn tube）并商用。IBM的第一臺商用科學計算機701就使用了72個該管做內存，后來磁芯存儲器的出現取代了該存儲器。

在經歷了兩次偏離于現代計算機存儲的過程后，J. Presper Eckert發明的汞（水銀）延遲線存儲器（Delay Line Memory）將探索路線拉回磁存儲“正軌”，其原理是通過用壓力波的傳播延遲來存儲數據；1945年，J. Presper Eckert和同事John Mauchly在之前的基礎上一起設計了第一臺通用電子計算機ENIAC，與現代RAM不同的是，其采用的延遲線存儲器的工作方式為順序存取，這大幅降低了計算效率，因此到20世紀50年代中期，延遲線存儲器基本已經過時。

1947年，美國工程師Frederick Viehe首個申請了磁芯存儲器的專利；磁芯存儲器性能和可靠性高，成為了替代延遲線存儲器的“不二之選”。1948年，華裔科學家王安發明了“脈沖傳輸控制裝置”（Pulse transfer controlling device），實現了對磁芯存儲器的讀后寫（Write-after-Read）；其原理是磁芯根據磁化時電流的方向可以產生兩個相反方向的磁化，可作為0/1狀態來記錄數據；從20世紀50年代、60年代，直至70年代初，磁芯存儲一直被廣泛用于計算機的主存儲器，容量約為幾百字節。

1951年，磁帶首次被用于計算機上存儲數據，一盤磁帶可替代一萬張打孔紙卡，使用磁帶的設備有磁帶機、磁帶庫，商用計算機史上磁帶作為主要的I/O（輸入/輸出）設備的第一臺磁帶機稱為UNIVAC；磁帶可長期保存數據的特性使得其在影片與音樂上快速發展，1963年，飛利浦研制出全球首盤盒式磁帶，每面可容納30到45分鐘的立體聲音樂，大約可記錄0.66MB的數據；據說德國人之所以大力改進磁帶技術，是為了傳播希特勒的講話，而美國人則是為了傳播流行音樂。磁帶存儲因支持離線保存，壽命長，容量大且性價比高，至今仍在使用。

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硬盤時代

科技的腳步從未停止，誰也沒能想到一個重達一噸，兩個冰箱大小的機柜會改變我們看待和處理數據的方式。1956年，IBM發布了世界上第一塊硬盤IBM 350 RAMAC，它包含50個24英寸的盤片，能存儲500萬個字符，約5MB的數據，傳輸速度達10KB/s；IBM 350 RAMAC以旋轉的磁盤方式存儲數據，提高了數據的可訪問性和可靠性，奠定了現當代大規模數據存儲和處理的基礎，標志著人類正式進入硬盤時代。

IBM的創新并未止步于此，1962年，IBM發布了第一個可移動硬盤驅動器1311，它有6個14英寸的盤片，可存儲2.6MB數據。1973年，IBM又發明了Winchester（溫氏）硬盤3340，使用了密封組件、潤滑主軸和小質量磁頭，這個時候的硬盤開始有了正確的結構，特點是工作時磁頭懸浮在高速轉動的盤片上方，而不與盤片直接接觸，現代硬盤的基本架構就此確立；容量為60MB，轉速略低于3000RPM，采用4張14英寸盤片，存儲密度為每平方英寸1.7MB。

在溫氏磁盤3340誕生之后，硬盤的發展方向主要體現在容量上的增大，以及體積上的減小。1980年，IBM推出了第一塊GB級別的硬盤；同年，一家還不出名，成立于1979年小公司希捷，發布了一款物美價廉的硬盤，開始與IBM爭搶HDD的市場；這款硬盤為ST-506，尺寸為5.25英寸，比3340小很多，容量為5MB，價格為1500刀；不久，希捷又發明了容量為10MB的ST-412。1983年，蘇格蘭公司Rodime也發布了世界上第一款3.5英寸硬盤，硬盤尺寸的持續變小使得其意義同樣深遠。

20世紀90年代，諾貝爾物理學獎得主Albert Fert和Peter Grunberg發現了巨磁電阻效應，基于該效應研究的GMR巨磁阻效應磁頭技術，以及SMR瓦楞式堆疊磁盤技術，成功將HDD的磁道密度提升了上百倍。2007年是存儲技術重要里程碑的一年，日立于2003年收購了IBM硬盤事業部后，率先推出了TB級別的硬盤；該硬盤采用了垂直存儲技術，將盤片的磁場方向由平行變為垂直，更好充分利用了存儲空間。此外，垂直存儲技術能耗小，發熱量減小，改善了數據抵抗熱退減的能力，提高了硬盤的可靠性。

2010年，氦氣封裝技術量產，除了讓硬盤容量變大以外，溫度和能耗也降低了，耐用度和穩定性獲得了大幅提升。2022年，希捷推出了容量為22TB，采用疊瓦式的HDD，刷新了HDD最大單盤容量的記錄。由于人們對少量數據的便捷存儲和交換需求的出現，另外，當時的存儲設備存在容量不足等問題，1971年，IBM發布了世界上第一張只讀8英寸的最早個人可移介質，即軟盤，容量為80KB；1972年，軟盤容量增加至175KB，Alan Shugart幫助Memorex公司推出了第一款可讀/寫的軟盤Memorex 650；隨著技術的發展，1976年，5.25英寸軟盤問世，廣泛用于Apple II、IBM PC等兼容電腦上。

1980年，SONY開發了3.5英寸的軟盤，容量為1.44MB，容量的提升使軟盤成為當時計算機最主要的存儲設備之一，并逐漸成為市場標準。區別于早期的平行式存儲技術，它采用了磁場方向垂直于盤片表面的記錄方式，這種技術使得軟盤具有更高的存儲密度，此外，軟盤還采用了雙面雙層的記錄方式，能夠進一步提高存儲容量。從1971年直到20世紀90年代的近三十年內，軟盤廣泛應用于個人電腦和其他電子設備，并帶動了計算機行業的快速發展。

軟盤容易損壞，并且沒有內置的復制和粘貼功能，人們通常會手動抄寫數據或使用額外設備進行復制，相比之下，光盤的存儲容量、讀寫速度、可靠性都更優秀。1965年，美國物理學家家James Russell發明了第一個Compact Disk/CD（數字-光學記錄和回放系統），Compact Disk是以模擬信號為存儲格式，主要通過激光掃描的方式來讀寫信息；真正意義上的世界第一部商用CD音頻播放器CDP-101，于1982年由SONY和PHILIPS公司發布，光盤就此開始普及，一張光盤可以存放約680MB的數據信息；隨著光盤容量逐漸擴大，1995年，IBM牽頭將高容量光盤標準統一合并成為DVD，重新定義為Digital Versatile Disc（數字多用途光盤），容量可達4.7GB。

在1956年第一張硬盤被發明的同時，閃存的發展也從未停止腳步，最早從只讀存儲器（Read-Only Memory，ROM）開始追溯，閃存也經歷了從ROM到可電擦除可編程的只讀存儲器 EEPROM（Elecrically Erasable Programmable ROM，），NOR Flash和NAND Flash相繼被發明的階段。

上世紀50年代，集成電路發明之后，就有了掩膜編程的只讀存儲器MROM（Mask-programmed ROM），但這類傳統的ROM只可讀而不可擦除或修改，靈活性差。1956年，美國Bosch Arma公司的華裔科學家周文俊，正式發明了可編程的只讀存儲器PROM（Programmable ROM），其原理是通過釋放高壓脈沖以改變內部構造，從而可實現內容一次性修改或編程；早期的PROM主要用于軍事領域，后來逐漸應用于民用領域。

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閃存時代

1959年，可謂是半導體存儲里程碑式發明的一年，貝爾實驗室的工程師Mohamed M.Atalla與姜大元共同發明了金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)，MOSFET的發明奠定了半導體存儲器重要基礎元件的地位。基于MOS半導體器件，1967年，姜大元與華裔施敏又提出相應的浮柵，可用于可重編程ROM的存儲單元。

許多企業相繼投入到半導體存儲的研究，嘗試發明可重復讀寫的存儲器以提升PROM的靈活性；基于MOSFET發明，1971年，英特爾Dov Frohman率先發明了可擦除可編程的只讀存儲器EPROM（Erasable Programmable ROM），EPROM可通過強紫外線反復重置至未編程狀態；同年，英特爾又發布了2048位EPROM產品C1702，其采用p-MOS技術。1972年，日本電工實驗室的Yasuo Tarui、Yutaka Hayashi和Kiyoko Naga，共同發明了可電擦除可編程的只讀存儲器 EEPROM（Elecrically Erasable Programmable ROM）。

EEPROM仍存在擦除速度太慢的問題，此時出現了一個劃時代的人物，東芝公司的工程師舛岡富士雄；1980年，他發明了一種全新可快速擦除的浮柵存儲器Flash（閃存，simultaneously erasable（同步可擦除）EEPROM），但該發明并未得到東芝的重視。1984年，在IEEE國際電子元件會議上，舛岡富士雄正式公開發表了自己的發明NOR Flash，1987年，舛岡富士雄又發明了NAND Flash。

英特爾對舛岡富士雄發明的NOR Flash非常感興趣，1988年，英特爾基于NOR Flash，生產了第一款商用型NOR Flash閃存芯片，它如同鞋盒一樣大小，并被內嵌于一個錄音機里，容量為256KB；這款芯片的發布徹底改變了原先由EPROM和EEPROM一統天下的局面，并使Intel成為世界上第一個生產閃存并將其投放市場的公司。1989年，東芝發布了世界上第一個NAND Flash閃存產品，該產品容量大，耐擦除且不易損壞。

HDD讀寫速度僅為幾十兆每秒，防震抗摔性弱，市場亟需讀取速度快，可靠性高的大容量閃存產品，由Eli Harari等人1988年創辦的SunDisk公司（現SanDisk，閃迪）逐漸開始打破這個局面。1989年，閃迪公司提交了系統閃存架構專利(“System Flash”)，結合嵌入式控制器、固件和閃存來模擬磁盤存儲；同年，英特爾開始發售512KB和1MB NOR Flash。1989年，一家以色列公司M-Systems成立了，該公司首次提出了閃存盤的概念，也就是大家熟知的固態硬盤（Solid State Drive，SSD）。

隨著筆記本、數碼相機等電子產品的需求擴大，這個階段的閃存產品可謂為雨后春筍般涌現。1991年，閃迪公司推出了世界上首個基于Flash閃存介質的ATA SSD固態硬盤，容量為20MB，尺寸為2.5英寸。1993年，美國蘋果公司正式推出了Newton PDA產品，該產品采用了NOR Flash技術。1994年，閃迪公司又第一個推出了CF存儲卡（Compact Flash）；當時，這種存儲卡基于NOR Flash技術，用于數碼相機等產品。

手機、便攜式攝像機、MP3播放器等消費數碼產品需求的爆發，使得整個90年代末閃存市場規模呈現井噴式發展的態勢。1995年，M-Systems發布了基于NOR Flash的閃存驅動器——DiskOnChip。1996年，東芝（現鎧俠）推出了SmartMedia卡，也稱為固態軟盤卡。三星隨后開始發售NAND Flash，閃迪推出了采用MLC串行NOR Flash技術的第一張閃存卡。1997年，手機開始配置閃存，以及數碼相機的出現，促使消費級市場再升級；同年，基于NAND Flash技術，西門子與閃迪合作開發了著名的MMC（多媒體內存，Multi Media Memory）卡。

1999年，東芝公司發現MMC卡可輕松盜版音樂的問題，因此對其進行了改裝，通過添加加密硬件的方式對其傳輸速度和安全性進行了升級，改裝后命名為SD卡，容量可為2MB、4MB和8MB；在手機用于通訊以及MP4流行的年代，SD（Secured Digital）卡成為移動數據存儲的主力軍。手機、筆記本電腦等消費產品的出現，延伸了人們對數據存儲便攜性的需求，2000年，U盤首次面市，M-Systems和Trek發布了世界上第一個商用USB閃存驅動器，也叫拇指驅動器。

NAND Flash共經歷了三代變革。20世紀80年代初至90年代中期，第一代NAND Flash采用 SLC（Static Random Access Memory）技術，存儲密度低，存儲容量有限，功耗高，可靠性差。90年代中期至2000年左右，第二代NAND Flash采用 NAND技術，存儲密度大幅提高，存儲容量也得到了極大的擴展，同時采用了 MLC（Multi-level Cell）技術和 PCD（Programmable Configuration Device）技術，提高了 NAND Flash的可靠性和靈活性。

工藝制程進入16nm后，2D NAND的成本急劇上升，平面微縮工藝的難度和成本難以承受，3D NAND技術的出現解決了該問題。2012年，三星正式推出了第一代 3D NAND閃存芯片，隨后，閃迪、東芝、Intel、西部數據紛紛發布3D NAND產品，閃存行業正式進入3D時代。

2000年至今的NAND Flash采用NAND技術和3D NAND技術，存儲密度進一步提高，存儲容量也得到了大幅擴展，并且采用了更先進的 NAND技術，如 NAND Flash垂直堆疊技術、NAND閃存內存接口技術等，使得 NAND閃存存儲器件的性能更加優越，在降低能耗的同時，也節約了成本，每字節成本均低于2D NAND。

進入3D NAND時代后，閃存技術的發展可以稱的上為“芝麻開花節節高”。2022年5月，美光科技已經宣布推出了232層的3D TLC NAND Flash。SK海力士于2022年8月也發布了238層3D NAND Flash芯片產品；2022年11月，三星已經完成了第八代NAND技術產品的開發，將采用236層3D NAND閃存芯片，容量達1Tb，運行速度為2.4GB/s。2023年8月，SK海力士又發布了321層堆疊4D NAND Flash閃存樣品。

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新發明、新時代

新型存儲技術是在傳統的存儲技術基礎上不斷發展而來的；在傳統存儲技術面臨一些挑戰時，如存儲設備體積不斷增大、容量增長而性能提升緩慢等，人們開始探索新的存儲方法。目前，新型存儲技術主要有4種：相變存儲器（PCM）、鐵電存儲器（FeRAM/FRAM）、磁性存儲器（MRAM，第二代為STT-RAM）、和阻變存儲器（ReRAM/RRAM）。

5.1?/ PCM

相變存儲器（phase-change random access memo，PCM或PCRAM）是一種新興的非易失性存儲器技術，其原理是通過改變溫度，讓相變材料在結晶態（導電）與非結晶態（非導電）狀態間相互轉換，并利用兩個狀態的導電性差異來區分“ 0”態和“ 1”態，從而實現數據存儲。

圖19 PCM工作原理（圖源：永鑫方舟資本）

PCM具有外存NAND Flash的非易失性，以及主存DRAM高讀寫速度和長壽命的特點，同時兼具低延時、密度高、功耗低、可兼容CMOS工藝等優點，具有將外存和主存合二為一的可能性，未來有希望應用于高性能數據中心、服務器、物聯網等場景。此外，目前PCM還未發現有明確的物理極限，研究表明即使相變材料降至2nm厚度，存儲器件依舊可以發生相變。因此，PCM可能解決存儲器工藝的物理極限問題，成為未來通用的新一代半導體存儲器件之一。

PCM的發展歷程可以追溯到20世紀60年代，當時Stanford Ovshinsky開始研究無定形物質的性質，1968年，他發現某些玻璃在變相時會存在可逆的電阻系數變化。這個發現啟發了他在1970年與他的妻子Iris Ovshinsky共同建立了一個能量轉換裝置（ECD）公司，該公司專注于研究和發展PCM技術。

在ECD公司與Intel的Gordon Moore合作后，他們在1970年9月28日的Electronics雜志上發表了一篇名為“世界第一個256位半導體相變存儲器”的文章；這個里程碑式的發現標志著PCM技術的誕生。但由于過去半導體工藝的限制，相變單元所需驅動電流過大，導致早期的PCM未贏得過多青睞。而后，得益于半導體加工工藝的進步，使具有較小的驅動電流器件成為可能，迎來了PCM的發展契機。

進入21世紀，隨著半導體工業界的制備技術和工藝達到深亞微米甚至納米尺度，PCM技術開始進入快速發展階段。在2000年，Intel和Ovonyx發表了一份合作與許可協議，這是現代PCM研究與發展的開端。從那時起，多家公司開始致力于PCM技術的研發和商業化，例如Intel、美光科技等。

PCM作為新型存儲產業化的先行者，國內外廠商爭相布局。2006年，Intel和三星生產了第一款商用PCM芯片。2015年，Intel和美光科技合作開發名為3D XPoint的PCM存儲技術。2019年8月，時代全芯發布國內首款PCM產品——2兆位可編程只讀PCM，成為繼美光科技、三星后少數掌握PCM研發、生產工藝和自主知識產權的公司。

然而，2018年Intel和美光科技結束了3D XPoint的聯合開發工作，此后美光科技于2021年宣布停止基于3D XPoint技術產品的進一步開發。至此，PCM的產業化陷入困境。

PCM現階段具有較多應用瓶頸，致使商業化停滯。首先，由于PCM存儲過程依賴溫度調節，具有對溫度的高敏感度，導致其無法應用于寬溫場景。其次，PCM存儲器采取多層結構，以具備兼容CMOS工藝的特點，致使存儲密度過低，無法滿足替代 NAND Flash的容量條件。此外，成本和良率也成為其大規模產業化的瓶頸之一。

5.2?/ FeRAM

1952年，鐵電隨機存取存儲器（Ferroelectric Random Access Memory，FeRAM）首次在麻省理工大學Dudley Allen Buck的碩士論文中被提及，論文中提到FeRAM有比閃存更低的耗電量、更高的寫入速度、更長的讀寫壽命等優勢。由于存算一體的特性和諸多優勢，FeRAM成為新型存儲的主流產品之一。1993年，Ramtron公司推出了4KB FeRAM產品，為全球首款可量產的FeRAM產品，此后，FeRAM的更多研發和應用開啟新篇章。

圖20 FeRAM工作原理（圖源：永鑫方舟資本）

FeRAM小部分產品實現量產，潛力可見度提高。根據新思界產業研究中心發布的《2022-2027年中國FRAM行業市場深度調研及發展前景預測報告》，FRAM存儲密度較低，容量有限，無法完全取代DRAM與NAND Flash，但在對容量要求不高、讀寫速度要求高、讀寫頻率高、使用壽命要求長的場景中擁有發展潛力。在消費電子領域，可用于智能手表、智能卡以及物聯網設備制造；在汽車領域，可用于高級駕駛輔助系統（ADAS）制造；在工業機器人領域，可用于控制系統制造等。

國內外多家廠商正在積極研發FeRAM存儲器，臺積電正在探索鐵電薄膜和堆疊及其可控性、狀態保持性、持久性和可擴展性，以實現與先進CMOS技術集成的高密度、高容量數字存儲器；國內拍字節、匯峰等企業也正在積極研究并助推以HfO2為鍍膜的FeRAM的產業化落地，拍字節目前還在實驗室研發階段有望量產，匯峰目前已經有130nm制程FeRAM產品可實現小批量量產。并且，已有部分FeRAM存儲器成功應用在汽車領域，代表公司Ramtron和Symetrix、英飛凌、日本富士通半導體。

FeRAM技術瓶頸尚在，仍需繼續研究突破。當前，FeRAM的工作模式主要包括DRO（破壞性讀出）和NDRO（非破壞性讀出）兩種。在DRO模式中，FeRAM讀出后需重新寫入數據，信息讀取過程中存在著大量的擦除/重寫操作，由于不斷地極化反轉，FeRAM容易發生疲勞失效的問題。NDRO模式無需使柵極的極化狀態反轉，讀出方式是非破壞性的，是一種比較理想的存儲方式，但目前這種FeRAM尚處于實驗室研究階段，還未達到實用層面。

5.3?/ MRAM

磁性隨機訪問存儲器（Magnetic Random Access Memory，MRAM）是一種非易失性隨機存儲器，它擁有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的重復寫入。MRAM靠磁場極化而非電荷來存儲數據，其存儲單元由自由磁層、隧道柵層、固定磁層組成。

圖21 MRAM工作原理（圖源：永鑫方舟資本）

MRAM于1984年發明，后經不斷改進。1984年，供職于霍尼韋爾的Arthur Pohm與James Daughton發明了首個磁存儲器；由于對環境條件敏感等問題，對MRAM的改進從未停止。1996年，Berger和Slonczewski不約而同的提出了STT-MRAM（自旋扭矩轉遞）方案；2000年，Spintec實驗室獲得首個STT-MRAM專利。

STT-MRAM為當前主流商業化方案。自2000年Spintec實驗室獲得首個STT技術專利開始，STT-MRAM憑借更快的讀寫速度與更小的尺度逐漸成為主流商業化方案。2005年11月，瑞薩科技與Grandis合作開發65nm工藝的STT-MRAM；2005年12月，索尼推出首款實驗室STT-MRAM產品。2008年11月，三星與SK海力士宣布合作開發STT-MRAM；2012年11月，Everspin首次推出容量為64MB的獨立式STT-MRAM產品；2019年3月，三星28nm工藝的嵌入式STT-MRAM產品開始量產。

2019年1月，Everspin公司推出基于28nm工藝容量為1GB的STT-MRAM產品，為目前最成熟、容量最大的獨立式MRAM量產產品。嵌入式MRAM（eMRAM）主要替代SRAM應用于嵌入式系統中，可避免因電源故障等導致的內存丟失問題。嵌入式MRAM目前受到各大廠商關注，2020年12月，IBM展出世界首個14nm STT-MRAM產品。2022年6月，瑞薩宣布已開發出 22nm嵌入式 STT-MRAM 電路技術。2022年10月，三星研究人員稱成功開發14nm eMRAM。MRAM增長點為替代閃存與嵌入式緩存。

由于價格較高，容量短時間無法趕超NAND Flash等原因，獨立式MRAM目前主要應用于工業、航空、航天、軍工等對可靠性和讀寫速度要求較高、容量無需太大的領域。隨著容量進一步提升，獨立式MRAM產品已逐漸進入數據中心等更大規模的市場，未來隨著價格下降和容量擴大有望替代NAND Flash等成為主力外部存儲產品。目前嵌入式MRAM已成功進入MCU嵌入式系統，并逐步替代慢速SRAM成為工作緩存新方案，應用于相機CMOS等。未來嵌入式MRAM提速降價后有望替代SRAM或eDRAM等高速緩存，進入手機SoC和CPU等產品。

5.4?/ ReRAM

可變電阻式存儲器（Resistive Random Access Memory，RRAM或ReRAM）是一種新型的非易失性存儲器，這個概念在1971年左右初步形成，2008年，惠普提出了一種被稱為憶阻器的ReRAM，并將其用于面向未來的系統“The Machine”中，在惠普放棄憶阻器的研究后，一些研究機構和企業仍在繼續探索ReRAM技術。

目前ReRAM仍處于研究和開發階段，ReRAM以基本單位電阻變化存儲數據，氧化層釋放氧離子后產生的氧空位與金屬層中氧離子的運動共同決定了基本單位的電阻，高低電阻分別對應“0”和“1”。ReRAM結構簡單，兩側電極將金屬氧化物包夾于中間，從而簡化了制造工藝，同時可實現低功耗和高速重寫等卓越性能；其具備小于100ns的高速度、耐久性強和多位存儲能力的特點。

圖22 ReRAM工作原理（圖源：永鑫方舟資本）

由于ReRAM存儲介質中的導電通道具有隨機性，在二進制存儲中難以保證大規模陣列的均一性，故而能很好滿足神經形態計算和邊緣計算等應用對能耗、性能、存儲密度的要求，預期將在AIoT、智能汽車、數據中心、AI計算等領域獲得廣泛應用，被認為是實現存算一體的最佳選擇之一。在新興的存儲技術中，ReRAM技術更適合在存儲單元中采用多級存儲，有利于降低存儲器計算的能耗、提高成本效益。

結語 ? ? ? ?

數據存儲技術的發展，就像一本厚重的史書，每一頁都記載有精心雕琢的故事，描繪著那些年我們如何從最初的石墨紙，演變為如今的云存儲。而今，數據存儲已經從最初的打孔卡、硬盤，閃存發展至如今的云存儲；這個過程就像一部史詩般的電影，展現了人類對于技術的無盡追求和創新的寶貴精神。未來，數據存儲技術還將繼續發展，如同宇宙的探索一樣，未知而充滿無限可能。

編輯：黃飛