存儲器是現(xiàn)代信息系統(tǒng)的關鍵組件之一，已經形成了一個主要由DRAM與NAND Flash組成的超過1600億美元的市場。同時，新型存儲開始逐步邁向產業(yè)化，將有可能重塑未來存儲市場格局。我國正在大力發(fā)展存儲產業(yè)，提前布局新型存儲將是建立未來存儲產業(yè)生態(tài)的重要部分。

新型存儲主要指相變、磁變、阻變存儲

目前，受到廣泛關注的新型存儲器主要有3種：相變存儲器(PCM)，以英特爾與美光聯(lián)合研發(fā)的3D Xpoint為代表;磁變存儲器(MRAM)，以美國Everspin公司推出的STT-MRAM為代表;阻變存儲器(ReRAM)，目前暫無商用產品，代表公司有美國Crossbar。

事實上，上述新型存儲器已經被研究了數十年，只是相對于早已產業(yè)化的SRAM、DRAM、和NAND Flash，還未能大規(guī)模商用。存儲產業(yè)未來的技術發(fā)展方向仍是未知數。

新型存儲核心是解決“存儲墻”問題

“存儲墻”問題來源于當前計算架構中的多級存儲，隨著處理器性能的不斷提升，這一問題已經成為制約計算系統(tǒng)性能的主要因素。當前主流的計算系統(tǒng)，從大型服務器集群、PC、再到智能手機，無一例外地都采用馮諾依曼架構，其特點在于程序存儲于存儲器中，與運算控制單元相分離。為了滿足速度和容量的需求，現(xiàn)代計算系統(tǒng)通常采取高速緩存(SRAM)、主存(DRAM)、外部存儲(NAND Flash)的三級存儲結構，如圖所示。越靠近運算單元的存儲器速度越快，但受功耗、散熱、芯片面積的制約，其相應的容量也越小。SRAM響應時間通常在納秒級，DRAM則一般為100納秒量級，NAND Flash更是高達100微秒級，當數據在這三級存儲間傳輸時，后級的響應時間及傳輸帶寬都將拖累整體的性能，形成“存儲墻”。

圖 常見的存儲系統(tǒng)架構及存儲墻

由于DRAM和NAND Flash本身物理特性的限制，單純依靠改良現(xiàn)有的存儲器很難突破“存儲墻”。因此，新型存儲開始受到廣泛關注，其特點在于同時具備DRAM的讀寫速率與壽命以及NAND Flash的非易失特性。這使得新型存儲理論上可以簡化存儲架構將當前的內存和外存合并為持久內存，從而有望消除或縮小內存與外存間的“存儲墻”。

此外，一些新的應用也開始嘗試使用新型存儲，例如存內計算(PIM)。這是一種將邏輯運算單元直接嵌入內存中的非馮諾依曼架構，理論上能夠完全消除“存儲墻”問題，在深度學習應用中優(yōu)勢明顯。國外已經有使用MRAM、ReRAM作為存內計算存儲單元的實驗報道。

主流新型存儲的產業(yè)現(xiàn)狀

當前的3種新型存儲均處于起步階段，PCM發(fā)展最快。由于英特爾的主推，PCM商業(yè)化進程最快，已經有傲騰H系列混合固態(tài)盤、以及傲騰M系列持久內存兩款主要面向數據中心的商用產品，與英特爾自身的處理器配套形成一套完整的數據密集型應用解決方案。MRAM方面，Everspin已經有產品應用于航空航天等特定領域，并于2019年開始與格芯合作，試生產28nm制程的1Gb STT-MRAM產品。ReRAM仍然尚未商用，初創(chuàng)公司如Crossbar正致力于其產業(yè)化進程。

當前的新型存儲尚不具備替代DRAM或NAND閃存的能力，市場主要集中于低延遲存儲與持久內存。分別比較3種存儲的介質特性，如下表所示。

表 新型存儲及傳統(tǒng)存儲特性對比

MRAM具有最好的讀寫速率和使用壽命，從理論上有機會替代現(xiàn)有內存和外存，但是由于涉及量子隧穿效應，大規(guī)模制造難以保證均一性，存儲容量和良率爬坡緩慢。在工藝取得進一步突破之前，MRAM的產品主要適用于容量要求低的特殊應用領域以及新興的IoT嵌入式存儲領域。

PCM在讀寫速率以及使用壽命上都難以替代DRAM，但是已經大幅優(yōu)于NAND Flash。當前產品的主要問題在于存儲密度過低，在容量上無法替代NAND Flash。從英特爾3D Xpoint的持續(xù)虧損來看，其成本和良率也是瓶頸之一。當前PCM產品主要用作持久內存以及低延遲存儲中的SSD緩存。

ReRAM在工藝上與CMOS完全兼容，能夠較容易擴展至先進工藝節(jié)點。但是由于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(guī)模陣列的均一性。也正因為這一特點，普遍認為ReRAM在神經網絡計算中具有獨特的優(yōu)勢。未來ReRAM相關產品有機會在特定算法的加速芯片領域應用。

我國發(fā)展新型存儲的挑戰(zhàn)與機遇

我國新型存儲產業(yè)化能力及知識產權布局實際已經大幅落后。相變存儲器和阻變存儲器的專利從2000年左右開始逐漸增加，磁變存儲器更是從1990年就開始有專利申請。英特爾在2015年發(fā)布3D Xpoint，實際上已經經歷了十余年的發(fā)展。我國目前尚處于科學研究階段，如果想要發(fā)展產業(yè)勢必會遇到和發(fā)展DRAM、NAND Flash相同的知識產權問題。

我國缺乏像英特爾、三星、東芝這樣的巨頭作為新型存儲的產業(yè)主體。這些企業(yè)一方面已經在存儲領域深耕數十年，有豐富的技術積累、人才積累、以及產業(yè)經驗;另一方面，又有強大的資金支持，擁有高額的利潤用于研發(fā)。我國在新型存儲領域的研發(fā)仍主要依靠科研經費和專項補貼，缺乏對應的產業(yè)化經驗。

新型存儲產業(yè)尚未成熟，機遇大于挑戰(zhàn)。產業(yè)格局上，相對于傳統(tǒng)的DRAM和NAND Flash，新型存儲尚未形成行業(yè)壟斷，產品路線也不夠明朗，我國在這一領域具有換道超車的可能。技術上，未來存儲技術路線尚不明確，存在技術追趕甚至反超的機遇。市場上，隨著我國在5G、人工智能等新興領域的快速發(fā)展，存儲需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，有足夠廣闊的新型存儲潛在市場。

意見建議

一是以市場為導向，以產業(yè)為主體，結合已有研發(fā)團隊，快速推進新型存儲產業(yè)化。要擺脫新型存儲研究停留在實驗室的困境，跟隨市場需求，從產業(yè)化的角度指導投資建設，培育專業(yè)人才。設立產業(yè)專項，整合國內各研究機構已有研發(fā)團隊，通力合作，突破技術難題。

二是避免盲目上規(guī)模。在當前新型存儲產業(yè)格局尚未明朗的情況下，技術存在較大不確定性，且存儲項目一般投資金額大，在缺乏明確客戶情況下，企業(yè)運營壓力巨大，大規(guī)模生產風險極高。應盡量以中試線等小規(guī)模建設為主，穩(wěn)扎穩(wěn)打，逐步解決產業(yè)化過程中技術、成本、客戶等關鍵問題。

三是產業(yè)上下游協(xié)同發(fā)展。鼓勵整機、CPU、存儲企業(yè)主體聯(lián)合參與，推動新型存儲產業(yè)鏈快速成型。借鑒英特爾計算、存儲、新型存儲形成完整解決方案的形式，多家企業(yè)聯(lián)合攻關，形成系統(tǒng)配套方案。