存儲(chǔ)器是現(xiàn)代信息系統(tǒng)的關(guān)鍵組件之一，已經(jīng)形成了一個(gè)主要由DRAM與NAND Flash組成的超過(guò)1600億美元的市場(chǎng)。同時(shí)，新型存儲(chǔ)開(kāi)始逐步邁向產(chǎn)業(yè)化，將有可能重塑未來(lái)存儲(chǔ)市場(chǎng)格局。我國(guó)正在大力發(fā)展存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)，提前布局新型存儲(chǔ)將是建立未來(lái)存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)生態(tài)的重要部分。

新型存儲(chǔ)主要指相變、磁變、阻變存儲(chǔ)

目前，受到廣泛關(guān)注的新型存儲(chǔ)器主要有3種：相變存儲(chǔ)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(chǔ)器(MRAM)，以美國(guó)Everspin公司推出的STT-MRAM為代表;阻變存儲(chǔ)器(ReRAM)，目前暫無(wú)商用產(chǎn)品，代表公司有美國(guó)Crossbar。

事實(shí)上，上述新型存儲(chǔ)器已經(jīng)被研究了數(shù)十年，只是相對(duì)于早已產(chǎn)業(yè)化的SRAM、DRAM、和NAND Flash，還未能大規(guī)模商用。存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)未來(lái)的技術(shù)發(fā)展方向仍是未知數(shù)。

新型存儲(chǔ)核心是解決“存儲(chǔ)墻”問(wèn)題

“存儲(chǔ)墻”問(wèn)題來(lái)源于當(dāng)前計(jì)算架構(gòu)中的多級(jí)存儲(chǔ)，隨著處理器性能的不斷提升，這一問(wèn)題已經(jīng)成為制約計(jì)算系統(tǒng)性能的主要因素。當(dāng)前主流的計(jì)算系統(tǒng)，從大型服務(wù)器集群、PC、再到智能手機(jī)，無(wú)一例外地都采用馮諾依曼架構(gòu)，其特點(diǎn)在于程序存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中，與運(yùn)算控制單元相分離。為了滿足速度和容量的需求，現(xiàn)代計(jì)算系統(tǒng)通常采取高速緩存(SRAM)、主存(DRAM)、外部存儲(chǔ)(NAND Flash)的三級(jí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，如圖所示。越靠近運(yùn)算單元的存儲(chǔ)器速度越快，但受功耗、散熱、芯片面積的制約，其相應(yīng)的容量也越小。SRAM響應(yīng)時(shí)間通常在納秒級(jí)，DRAM則一般為100納秒量級(jí)，NAND Flash更是高達(dá)100微秒級(jí)，當(dāng)數(shù)據(jù)在這三級(jí)存儲(chǔ)間傳輸時(shí)，后級(jí)的響應(yīng)時(shí)間及傳輸帶寬都將拖累整體的性能，形成“存儲(chǔ)墻”。

圖 常見(jiàn)的存儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)及存儲(chǔ)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(chǔ)器很難突破“存儲(chǔ)墻”。因此，新型存儲(chǔ)開(kāi)始受到廣泛關(guān)注，其特點(diǎn)在于同時(shí)具備DRAM的讀寫(xiě)速率與壽命以及NAND Flash的非易失特性。這使得新型存儲(chǔ)理論上可以簡(jiǎn)化存儲(chǔ)架構(gòu)將當(dāng)前的內(nèi)存和外存合并為持久內(nèi)存，從而有望消除或縮小內(nèi)存與外存間的“存儲(chǔ)墻”。

此外，一些新的應(yīng)用也開(kāi)始嘗試使用新型存儲(chǔ)，例如存內(nèi)計(jì)算(PIM)。這是一種將邏輯運(yùn)算單元直接嵌入內(nèi)存中的非馮諾依曼架構(gòu)，理論上能夠完全消除“存儲(chǔ)墻”問(wèn)題，在深度學(xué)習(xí)應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)明顯。國(guó)外已經(jīng)有使用MRAM、ReRAM作為存內(nèi)計(jì)算存儲(chǔ)單元的實(shí)驗(yàn)報(bào)道。

主流新型存儲(chǔ)的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

當(dāng)前的3種新型存儲(chǔ)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(jìn)程最快，已經(jīng)有傲騰H系列混合固態(tài)盤(pán)、以及傲騰M系列持久內(nèi)存兩款主要面向數(shù)據(jù)中心的商用產(chǎn)品，與英特爾自身的處理器配套形成一套完整的數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用解決方案。MRAM方面，Everspin已經(jīng)有產(chǎn)品應(yīng)用于航空航天等特定領(lǐng)域，并于2019年開(kāi)始與格芯合作，試生產(chǎn)28nm制程的1Gb STT-MRAM產(chǎn)品。ReRAM仍然尚未商用，初創(chuàng)公司如Crossbar正致力于其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

當(dāng)前的新型存儲(chǔ)尚不具備替代DRAM或NAND閃存的能力，市場(chǎng)主要集中于低延遲存儲(chǔ)與持久內(nèi)存。分別比較3種存儲(chǔ)的介質(zhì)特性，如下表所示。

表 新型存儲(chǔ)及傳統(tǒng)存儲(chǔ)特性對(duì)比

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

PCM在讀寫(xiě)速率以及使用壽命上都難以替代DRAM，但是已經(jīng)大幅優(yōu)于NAND Flash。當(dāng)前產(chǎn)品的主要問(wèn)題在于存儲(chǔ)密度過(guò)低，在容量上無(wú)法替代NAND Flash。從英特爾3D Xpoint的持續(xù)虧損來(lái)看，其成本和良率也是瓶頸之一。當(dāng)前PCM產(chǎn)品主要用作持久內(nèi)存以及低延遲存儲(chǔ)中的SSD緩存。

ReRAM在工藝上與CMOS完全兼容，能夠較容易擴(kuò)展至先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)。但是由于存儲(chǔ)介質(zhì)中的導(dǎo)電通道具有隨機(jī)性，在二進(jìn)制存儲(chǔ)中難以保證大規(guī)模陣列的均一性。也正因?yàn)檫@一特點(diǎn)，普遍認(rèn)為ReRAM在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。未來(lái)ReRAM相關(guān)產(chǎn)品有機(jī)會(huì)在特定算法的加速芯片領(lǐng)域應(yīng)用。

我國(guó)發(fā)展新型存儲(chǔ)的挑戰(zhàn)與機(jī)遇

我國(guó)新型存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)化能力及知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局實(shí)際已經(jīng)大幅落后。相變存儲(chǔ)器和阻變存儲(chǔ)器的專(zhuān)利從2000年左右開(kāi)始逐漸增加，磁變存儲(chǔ)器更是從1990年就開(kāi)始有專(zhuān)利申請(qǐng)。英特爾在2015年發(fā)布3D Xpoint，實(shí)際上已經(jīng)經(jīng)歷了十余年的發(fā)展。我國(guó)目前尚處于科學(xué)研究階段，如果想要發(fā)展產(chǎn)業(yè)勢(shì)必會(huì)遇到和發(fā)展DRAM、NAND Flash相同的知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題。

我國(guó)缺乏像英特爾、三星、東芝這樣的巨頭作為新型存儲(chǔ)的產(chǎn)業(yè)主體。這些企業(yè)一方面已經(jīng)在存儲(chǔ)領(lǐng)域深耕數(shù)十年，有豐富的技術(shù)積累、人才積累、以及產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗(yàn);另一方面，又有強(qiáng)大的資金支持，擁有高額的利潤(rùn)用于研發(fā)。我國(guó)在新型存儲(chǔ)領(lǐng)域的研發(fā)仍主要依靠科研經(jīng)費(fèi)和專(zhuān)項(xiàng)補(bǔ)貼，缺乏對(duì)應(yīng)的產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗(yàn)。

新型存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)尚未成熟，機(jī)遇大于挑戰(zhàn)。產(chǎn)業(yè)格局上，相對(duì)于傳統(tǒng)的DRAM和NAND Flash，新型存儲(chǔ)尚未形成行業(yè)壟斷，產(chǎn)品路線也不夠明朗，我國(guó)在這一領(lǐng)域具有換道超車(chē)的可能。技術(shù)上，未來(lái)存儲(chǔ)技術(shù)路線尚不明確，存在技術(shù)追趕甚至反超的機(jī)遇。市場(chǎng)上，隨著我國(guó)在5G、人工智能等新興領(lǐng)域的快速發(fā)展，存儲(chǔ)需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，有足夠廣闊的新型存儲(chǔ)潛在市場(chǎng)。

意見(jiàn)建議

一是以市場(chǎng)為導(dǎo)向，以產(chǎn)業(yè)為主體，結(jié)合已有研發(fā)團(tuán)隊(duì)，快速推進(jìn)新型存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)化。要擺脫新型存儲(chǔ)研究停留在實(shí)驗(yàn)室的困境，跟隨市場(chǎng)需求，從產(chǎn)業(yè)化的角度指導(dǎo)投資建設(shè)，培育專(zhuān)業(yè)人才。設(shè)立產(chǎn)業(yè)專(zhuān)項(xiàng)，整合國(guó)內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)已有研發(fā)團(tuán)隊(duì)，通力合作，突破技術(shù)難題。

二是避免盲目上規(guī)模。在當(dāng)前新型存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)格局尚未明朗的情況下，技術(shù)存在較大不確定性，且存儲(chǔ)項(xiàng)目一般投資金額大，在缺乏明確客戶情況下，企業(yè)運(yùn)營(yíng)壓力巨大，大規(guī)模生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)極高。應(yīng)盡量以中試線等小規(guī)模建設(shè)為主，穩(wěn)扎穩(wěn)打，逐步解決產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中技術(shù)、成本、客戶等關(guān)鍵問(wèn)題。

三是產(chǎn)業(yè)上下游協(xié)同發(fā)展。鼓勵(lì)整機(jī)、CPU、存儲(chǔ)企業(yè)主體聯(lián)合參與，推動(dòng)新型存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)鏈快速成型。借鑒英特爾計(jì)算、存儲(chǔ)、新型存儲(chǔ)形成完整解決方案的形式，多家企業(yè)聯(lián)合攻關(guān)，形成系統(tǒng)配套方案。