在高層次上，計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)有幾個關(guān)鍵組件：CPU（由計算核心和互連組成）、內(nèi)存（由高速緩存、主內(nèi)存和硬盤驅(qū)動器組成）以及輸入和輸出硬件。雖然架構(gòu)的所有部分對整體效率都很重要，但對于現(xiàn)代工作負(fù)載，主要的性能瓶頸是內(nèi)存。

因此，近年來出現(xiàn)了一些重要的研究，試圖在提高內(nèi)存速度的同時盡可能保持功率效率。

在本文中，我們將討論業(yè)界和學(xué)術(shù)界最近發(fā)布的三項內(nèi)存公告，以評估該領(lǐng)域的進(jìn)展情況。我們將從簡要回顧內(nèi)存技術(shù)開始，以強(qiáng)調(diào) SureCore、蘭開斯特大學(xué)、Western Digital 和 Kioxia 的新發(fā)展的重要性。

內(nèi)存技術(shù)簡述

存儲器大致可分為兩類：非易失性和易失性。非易失性存儲器可以通過數(shù)百萬次電源循環(huán)來存儲其內(nèi)容。內(nèi)存中的內(nèi)容會一直保留，直到它們被有意擦除或覆蓋。非易失性存儲器的兩個示例是閃存和 HDD。相比之下，易失性存儲器在電源循環(huán)后會丟失其內(nèi)容。兩種常見類型的易失性存儲器是 SRAM 和 DRAM。

雖然 SRAM 和 DRAM 都是易失性的，但 DRAM 通常速度較慢，因為它的實現(xiàn)方式。在 DRAM 中，每個位都使用電容器存儲。由于電容器會失去電荷，除非在板上連續(xù)施加電位差，因此需要定期刷新 DRAM 以防止數(shù)據(jù)丟失。這種定期刷新會導(dǎo)致高延遲，從而導(dǎo)致內(nèi)存變慢。

另一方面，SRAM 不使用電容器來存儲數(shù)據(jù)。相反，它使用多個晶體管（稱為 SRAM 單元）來存儲位。可以使用位線和字線網(wǎng)格寫入和讀取 SRAM。

一個 SRAM 單元可以包含六個 MOSFET。位線和世界線用于將值寫入單元格

要寫入一個典型的 SRAM 單元，相關(guān)的位線根據(jù)所需的值分別被驅(qū)動為低電平或高電平，然后世界線被驅(qū)動為高電平。要從典型的 SRAM 單元讀取數(shù)據(jù)，兩條位線都被驅(qū)動為高電平，然后是世界線被驅(qū)動為高電平。這樣，SRAM 就可以區(qū)分讀取和寫入操作。

SRAM 中的位線和字線控制對各個位的訪問

對于智能手機(jī)等嵌入式和移動計算應(yīng)用，設(shè)計人員使用 SRAM，它盡可能節(jié)能以延長設(shè)備的電池壽命。由于漏電流，功耗可以是主動的或被動的。在 SRAM 中，寄生電容導(dǎo)致電荷在存儲器電路中進(jìn)出移動，從而導(dǎo)致有功功率耗散。

SureCore 將節(jié)能技術(shù)融入 SRAM

一家名為 SureCore 的英國公司專門從事超低功耗嵌入式 IP 開發(fā)了一項名為Cascode Precharge Sense Amplifier (CPSA) 的專利技術(shù)。該公司聲稱這項技術(shù)可以顯著降低 SRAM 上的主動和被動功耗。

CPSA 的工作原理是控制 SRAM 上的位線電壓擺幅，該擺幅會因制造工藝而發(fā)生顯著變化，從而降低功耗。雖然單個位線電壓擺幅在 SRAM 上通常很小，但由于位線太多，所以總位線擺幅實際上占了 SRAM 上有效功耗的大部分。

蘭開斯特研究人員創(chuàng)造“ULTRARAM”

最近對改進(jìn)內(nèi)存的研究也集中在非易失性存儲上。蘭開斯特大學(xué)的研究人員宣布成立一家分拆公司，以創(chuàng)建ULTRARAM，這是一種將閃存的非易失性與 DRAM 的性能和功耗優(yōu)勢相結(jié)合的內(nèi)存技術(shù)。

ULTRARAM 利用構(gòu)成 RAM 的半導(dǎo)體材料中的量子共振隧道效應(yīng)。ULTRARAM 中使用的半導(dǎo)體化合物屬于 6.1 埃系列，例如 GaSb、InAs 和 AlSb，它們特別適合高速設(shè)計。雖然量子共振隧穿背后的物理學(xué)非常復(fù)雜，但它基本上允許研究人員創(chuàng)建一種非易失性存儲器，不會消耗太多功率，并且提供比 DRAM 更快的速度。

在 ULTRARAM 中，每個邏輯狀態(tài)都存儲在一個浮動?xùn)艠O中。由于 6.1A 半導(dǎo)體的特性，浮柵可以在低電壓下從高電阻狀態(tài)切換到高導(dǎo)電狀態(tài)。這些特性使它快速、節(jié)能且不易失。

Kioxia 和 Western Digital 合作開發(fā) 3D Flash

單元密度是非易失性存儲器的另一個非常重要的特性，因為它允許將更多單元裝入同一區(qū)域并增加存儲容量。3 月，Western Digital 和 Kioxia 公布了新的 3D 閃存技術(shù)的細(xì)節(jié)。在這項技術(shù)中，每個cell晶圓都是單獨制造的，然后粘合在一起以最大限度地提高位密度。內(nèi)存在垂直和橫向上都被縮放以增加位密度，從而增加閃存的容量。

從內(nèi)存開始創(chuàng)新現(xiàn)代計算機(jī)

現(xiàn)代計算機(jī)是復(fù)雜的機(jī)器?，F(xiàn)代設(shè)計具有多個內(nèi)核、多級高速緩存、主內(nèi)存以及復(fù)雜的多線程和預(yù)測機(jī)制，因此規(guī)模龐大且錯綜復(fù)雜。然而，幾十年來，現(xiàn)代計算機(jī)架構(gòu)師的基本目標(biāo)基本保持不變：創(chuàng)造一臺具有足夠計算能力的機(jī)器，同時仍然具有高能效和可承受的價格。這些研究人員和公司希望通過創(chuàng)新不同的內(nèi)存技術(shù)來達(dá)到這種平衡——無論是超低功耗 SRAM、ULTRARAM 還是 3D 閃存。

審核編輯：湯梓紅