目前,業(yè)界至少在攻關(guān)五種新型內(nèi)存技術(shù),其中3D XPoint處于領(lǐng)先地位。
隨著供應(yīng)商將一系列新技術(shù)推向臺(tái)前,下一代內(nèi)存市場(chǎng)之爭(zhēng)未火先熱,只不過(guò),這些新產(chǎn)品晉身主流還需要克服一些挑戰(zhàn)。
多年來(lái),業(yè)界一直致力于各種新興存儲(chǔ)技術(shù),包括納米管RAM、FRAM、MRAM、相變存儲(chǔ)器和ReRAM。有的已經(jīng)開(kāi)始出貨,有的還處于研發(fā)階段。這些新的內(nèi)存類(lèi)型各不相同,而且都是針對(duì)特定應(yīng)用,但是它們都號(hào)稱(chēng)可以取代當(dāng)今系統(tǒng)內(nèi)存/存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)中的一個(gè)或多個(gè)傳統(tǒng)內(nèi)存。
SRAM位于內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)的第一層,它被集成到處理器中以實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)。第二層是DRAM,是系統(tǒng)主存。之后是用于存儲(chǔ)的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和基于NAND的固態(tài)存儲(chǔ)(SSD)。
圖1:內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)-DRAM/SRAM和Flash器件特性相反,給存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存留下了存在空間。
現(xiàn)在的內(nèi)存和存儲(chǔ)器依然有效,但越來(lái)越跟不上系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)和帶寬需求。比如,DRAM速度很快還是過(guò)于耗電,NAND和硬盤(pán)雖然便宜但是速度過(guò)慢。
這就是下一代內(nèi)存的用武之地。這些新的內(nèi)存類(lèi)型既有SRAM的速度,又能兼顧flash的非易失性。這些技術(shù)的規(guī)格固然驚艷,但它們要么進(jìn)展太慢,要么實(shí)現(xiàn)不了其價(jià)值主張,或者兼而有之。
實(shí)際上,實(shí)現(xiàn)這些新的內(nèi)存類(lèi)型的大規(guī)模量產(chǎn)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。這些內(nèi)存依賴(lài)于新奇的材料和開(kāi)關(guān)機(jī)制,使得它們很難制造或者難以在現(xiàn)場(chǎng)正常工作。同時(shí),它們的成本都很昂貴。
總而言之,新的內(nèi)存仍然是利基產(chǎn)品,但是它們已經(jīng)取得了一些明顯的進(jìn)步。比如,英特爾正在推出名為3D XPoint的下一代內(nèi)存,格羅方德、三星、臺(tái)積電、聯(lián)電也正在為嵌入式市場(chǎng)開(kāi)發(fā)新的內(nèi)存類(lèi)型。 “真正重要的是,邏輯器件晶圓廠正在為嵌入式存儲(chǔ)器開(kāi)發(fā)MRAM和阻變式RAM,它們正在努力降低成本,“Objective Analysis的分析師Jim Handy說(shuō)。 “它們用在主流內(nèi)存市場(chǎng)確實(shí)成本太高了,這使得它們只能用在愿意花大價(jià)錢(qián)的地方,因?yàn)槿绻挥眠@些昂貴器件就無(wú)法實(shí)現(xiàn)自己的目標(biāo)?!?/p>
傳統(tǒng)內(nèi)存仍然是當(dāng)今系統(tǒng)應(yīng)用的主流,但新的內(nèi)存類(lèi)型提供了一些可供斟酌的選擇。下面,本媒體就和讀者分享下一代內(nèi)存技術(shù)的進(jìn)展。
3D XPoint的崛起
下一代內(nèi)存技術(shù)的演進(jìn)花了很長(zhǎng)時(shí)間,但是它們確實(shí)取得了一定進(jìn)展。每種新的內(nèi)存技術(shù)都有一些有趣的特性,均聲稱(chēng)可以超越傳統(tǒng)內(nèi)存。
但是,至少?gòu)哪壳皝?lái)看,這些新的存儲(chǔ)器仍然無(wú)法取代DRAM、SRAM和Flash。
因?yàn)閮?nèi)存的主要衡量指標(biāo)是性能、密度和成本。比如,傳統(tǒng)內(nèi)存單元的大小等于特征尺寸的平方乘以4,即4F2。而最新的3D NAND器件每個(gè)單元有四位(QLC),理論上的單元尺寸等價(jià)為1F2。
“因此,如果你想取代NAND,你必須做得比1F2更便宜。據(jù)我所知,在我們的有生之年應(yīng)該都看不到這種替代品了?!碧技{米管RAM開(kāi)發(fā)商N(yùn)antero的內(nèi)存專(zhuān)家和董事會(huì)成員Ed Doller說(shuō)。
為了取代DRAM,新的內(nèi)存類(lèi)型不僅要更便宜,還需要構(gòu)建圍繞它的整個(gè)生態(tài)系統(tǒng),比如和DRAM兼容的接口和控制器。
如果新的內(nèi)存類(lèi)型不會(huì)取代傳統(tǒng)內(nèi)存,那它們用在什么地方呢? Lam Research高級(jí)技術(shù)總監(jiān)Alex Yoon在一篇博客中表示,“云計(jì)算和最新的移動(dòng)產(chǎn)品等應(yīng)用推動(dòng)了對(duì)可結(jié)合DRAM內(nèi)存速度與NAND更高位密度和更低成本的新型內(nèi)存類(lèi)別的需求。為了滿(mǎn)足這些標(biāo)準(zhǔn),業(yè)界正在探索幾項(xiàng)新技術(shù)。其中有些針對(duì)嵌入式應(yīng)用,有的專(zhuān)注片上系統(tǒng)(SoC),有的則專(zhuān)注于存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存領(lǐng)域?!?/p>
現(xiàn)在,新的內(nèi)存類(lèi)型已經(jīng)在內(nèi)存/存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)中找到了當(dāng)今內(nèi)存無(wú)法滿(mǎn)足其需求的利基市場(chǎng)。有的甚至小幅分蝕了DRAM和Flash的市場(chǎng)份額。但是目前尚不清楚新的內(nèi)存類(lèi)型是否會(huì)成為主流技術(shù)。
圖2 存儲(chǔ)器架構(gòu)
仍然沒(méi)有一種新的內(nèi)存技術(shù)可以滿(mǎn)足所有要求,因此,隨著時(shí)間的推移,客戶(hù)可能會(huì)使用其中一個(gè)或多個(gè)新內(nèi)存?!八鼈兌加凶约旱奈恢茫盧eRAM供應(yīng)商Crossbar營(yíng)銷(xiāo)和業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)副總裁Sylvain Dubois說(shuō)。 “在某些情況下,它們有一定的競(jìng)爭(zhēng)性,有一些重疊的空間。但是很明顯,它們都有不同的定位?!?/p>
然而,一項(xiàng)新技術(shù)正在冉冉升起,當(dāng)今內(nèi)存市場(chǎng)最大的變化就是英特爾和美光開(kāi)發(fā)的下一代技術(shù)3D XPoint的崛起。
3D XPoint于2015年正式推出,當(dāng)其時(shí),它被吹捧為集成了DRAM和NAND各自?xún)?yōu)點(diǎn)的存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存。理論上來(lái)說(shuō),它應(yīng)該比NAND快1000倍,耐用性高1,000倍。
但是實(shí)際上,3D XPoint的進(jìn)展不達(dá)預(yù)期,也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)當(dāng)初承諾的那些技術(shù)規(guī)格。咨詢(xún)公司MKW Ventures的負(fù)責(zé)人 Mark Webb說(shuō):“我們知道其中有很大的炒作成分,現(xiàn)實(shí)情況有很大不同,但是它的表現(xiàn)仍然非常驚人。3D XPoint產(chǎn)生的收入將超過(guò)所有其它新的非易失性存儲(chǔ)器。”
事實(shí)上,經(jīng)過(guò)幾次延遲后,英特爾目前正在爬產(chǎn)SSD和其他基于3D XPoint的產(chǎn)品。 最終,英特爾將在用于服務(wù)器的DIMM中部署該技術(shù)。 “有了3D XPoint,英特爾推出了全球速度最快的固態(tài)硬盤(pán),”韋伯說(shuō)。 “不過(guò),DIMM再度推遲了?!?/p>
據(jù)MKW稱(chēng),3D XPoint的銷(xiāo)售額預(yù)計(jì)將從不久前的零增長(zhǎng)到2018年的7.5億美元。到2020年,3D XPoint的收入預(yù)計(jì)將達(dá)到15億美元。
相比之下,根據(jù)Coughlin Associates和Objective Analysis的報(bào)告,MRAM在2017年的營(yíng)業(yè)額為3600萬(wàn)美元,其它內(nèi)存類(lèi)型幾乎沒(méi)有什么收入。
與DRAM和NAND相比,新型內(nèi)存的收入簡(jiǎn)直不值一提。根據(jù)IC Insights的數(shù)據(jù),預(yù)計(jì)2018年DRAM市場(chǎng)銷(xiāo)售額將達(dá)到1016億美元,而NAND將達(dá)到4280億美元。
3D XPoint基于一種被稱(chēng)為相變存儲(chǔ)器(PCM)的技術(shù)。PCM以非晶相和結(jié)晶相存儲(chǔ)信息,它可以通過(guò)外部電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)位的取反。
圖3 3D XPoint存儲(chǔ)器架構(gòu)
3D XPoint器件采用兩層堆疊架構(gòu),使用20nm工藝可實(shí)現(xiàn)128千兆位的密度。MKW表示,它的讀取延遲約為125ns,可擦寫(xiě)次數(shù)為20萬(wàn)次。
3D XPoint確實(shí)速度很快,但并沒(méi)有達(dá)到所聲稱(chēng)的NAND的1000倍。“它的成本也遠(yuǎn)高于NAND,”Webb說(shuō)?!八⒉皇荄RAM的替代品,而是DRAM的有益補(bǔ)充?!?/p>
3D XPoint下一步怎么走?它在DIMM領(lǐng)域存在重大機(jī)遇。當(dāng)英特爾最終推出DIMM時(shí),它們將同時(shí)集成3D XPoint和DRAM?!坝⑻貭柨梢?xún)?yōu)化處理器和架構(gòu),以充分利用3D XPoint的性能特征?!彼f(shuō)。
盡管如此,該技術(shù)的未來(lái)仍然存在不確定性。英特爾和美光正在分別開(kāi)發(fā)3D NAND和3D XPoint。之前曾經(jīng)說(shuō)過(guò),兩家公司在完成各自品類(lèi)的現(xiàn)有產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)后,將分道揚(yáng)鑣,獨(dú)立研究這些技術(shù)。
目前還不清楚美光是否會(huì)推出3D XPoint器件。到目前為止,美光尚未發(fā)布3D XPoint產(chǎn)品,因?yàn)樵摷夹g(shù)似乎與其DRAM和NAND產(chǎn)品互相競(jìng)爭(zhēng)。
顯然,英特爾有資源獨(dú)自推出3D XPoint器件,但是問(wèn)題在于英特爾能否用這項(xiàng)技術(shù)收回其龐大的研發(fā)投資。
評(píng)論