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后闪存时代离我们有多远?
2015-04-03 未知 / 孙浩峰

闪存时代预期将在2020年走向终结,包括电阻式与电子自旋式等存储的最新技术蓄势待发,未来引领其性能更高,速度更快且具有动态存储式定址能力的新闪存,未来将对现有闪存技术全面接盘,由于这些技术的颠覆性我们把他们的未来称作“后闪存时代”(Post_NAND)。

一些人会问,这些新技术中的一种通用的存储技术真的能联接动态存储器和非易失性存储器吗?

现在听来似乎有点不靠谱,只要找一个NAND的替代品好像就成了。

目前主要有IBM和HP在做后闪存理论研究并且有所突破。其他的比如三星,东芝和美光,他们更感兴趣的是延长NAND的寿命以及他们对NAND制程的投资,而不是找别的产品取代闪存。

但无论如何,他们没法视而不见。美光研发出了相变存储器,近来已经投入生产,东芝已经在研发自旋转移力矩随机存取存储器,而三星也开始涉猎自旋转移力矩随机存取存储器。

NAND闪存是一种奇特的技术,它具有非易失性,就像磁带和磁盘,但又不是字节编址。与它们不同,它每次都要写入字节块。每个字节又要分入一个单元。

因而在新数据写入之前也不得不成块清空或删除。这就意味着一个写循环包含两个过程。读取是一个单过程。

在NAND半导体技术结束它的过程收尾时,单元在10纳米以下变得越来越易错,寿命也越来越短,另一个post-NAND技术正在被审查,看看它们是否可以在需要时传递增强的密度(容量),而不连带NAND的缺点。

用户会一直追求大容量和高速度,那时就会需要post-NAND技术。两三年前人们认为Post-NAND的未来很快就要到了,但是TLC和3D NAND技术又将NAND时代的终结向后推迟到了2020年。

研发工程师集中研究字节编址和非易失性的技术,当然也比NAND存取更快,使它们在定址能力和速度上的表现更接近动态随机存储器。

为了改变存储器的易失性,数据就需要一个分离的固定存储基础设施(闪存,磁盘和磁带),这样一来存储器就成了非易失性的。这也就意味着深层系统软件必须做出改变才能使系统充分使用这个“存储内存”。

后闪存时代有三个主要的发展方向:相变存储器,电阻式随机存储器以及自旋转移力矩随机存取存储器。

相变存储(PCM)

相变存储器包括利用电力来改变硫系玻璃材质,由多晶变成非晶状态,改变了它的电阻。

电流应用到元器件加热,如果它迅速冷却那么硫化物会变为多晶结构,耗热量较慢也就意味着它有高电阻非晶体结构.

随着IBM制成了PCM/NAND混合卡,美光和IBM全都参与了相变存储器的研究。HGST演示了如图所示的一个可以传送3百万 IOPS和延期读取1.5微秒的相变存储产品。

 

PCM制造商美光表示相变存储器是目前正在投资的少数几个新兴存储技术之一。2012年PCM产品海运至诺基亚公司用于Asha智能手机制作。芯片内存1Gb,45纳米制程,写入超过100,000次。

然而此后很多事都发生了变化,尤其是NAND前景与TLC和3D概念上。最终,美光因为研发了一个低成本,低功率,高性能的新制程而从市场上撤出了他们的PCM产品。

忆阻器

2008年,惠普公布了对忆阻器的物理实现,并将其定位为与电容器,电阻器和电感器并列的第四个基本元件。

忆阻器单元由两层二氧化钛半导体薄膜构成。其中只有第一层有微小的氧空位,并且可以导电。另一层则是电阻非常非常高。

氧空位可以通过电压传导从这一层移动到另一层,而他们停留和移动忆阻器电阻的位置,给我们设置了一个开关功能。

这个技术与 不同,在某些领域也视为才生产两年的产品,但它和拥有全新的操作系统和特芯片的硅光子相同,是惠普“机器”研发的众多支柱之一。

几个产品相结合降低了其各自给存储区的带来的,忆阻器技术可能会有的特殊影响。

首先,惠普把它的忆阻器当做一项专利技术在自己的专有硬件上使用。据我们所知,主要的闪存制造运营商也都没有参与忆阻器开发。 Hynix,一家二线制造运营商已经参与进来了。

第三,人们普遍把忆阻器看成一个电阻式随机存储器变体,而不是一个天差地异的非易失性存储器变体。

电阻式随机存储器

与PCM,PRAM类似利用不同阻力水平来传送二进制0,1的信号,但没有改变相变元件的状态。

IBM和Crocus 曾合作开发过磁电阻存储器。Unity Semiconductor有CMOx技术。第三家参与研发的公司是Crossbar。

Crossbar RRAM

Crossbar拥有3D RRAM技术,并认为可以搭建1TB的芯片。它的第一个单机RRAM芯片将到每晶1Tb,这就需要有十万写入次数。

据悉它将为嵌入式市场带来字节寻址,为存储市场带来1KB的页面寻址。Crossbar透露它的制程能突破16纳米,接近NAND的极限。

该技术基于一个不定形硅交换层,靠的是金属原子运动原理。Crossbar的架构被描述成1TnR,就是一个单晶体管驱动n个电阻式存储元件。Crossbar表示这将带来高容量的固态存储。

相比之下,PCM的一个晶体管驱动一个单元件的1T1R架构,按照Crossbar的说法来看,则意味着较低密度。

忆阻器利用了氧空位现象,而氧空位要求贵金属电极,如铂。该公司指出这些都很难并入一个生产程序中,并坚称金属离子比氧空位更好控制。

它又补充说忆阻器技术必须要有一个复杂的非化学计量氧化物来代替氧空位,很难复制。而他本身的非晶硅不需要严密的化学计量控制并且很容易复制。

Crossbar也将与一家制造运营商合作批量生产RRAM芯片,也就是说主要的存储器或闪存运营制造商都还没有决定跟风RRAM技术。

旋转移力矩磁阻存储器(STT-RAM)

这是第三个大众认可的后闪存技术,三星和东芝已经积极活跃在该领域。

通常电流不能自旋极化,就像是把电子一半分成上自旋,一半分成下自旋一样。这种现状在通过一个厚磁性层分流后改变了,它的上自旋电子变得比下自旋电子多,反之亦然。

接近自旋极化的电流自旋方向从代表二进制0,1的磁力方向移向磁元件。

自旋转移技术,一个工作在该领域的公司叫MRAM。从2012年2月拿到0.36亿美元初始资金,2014年10月,又增加了0.77亿美金,两轮投资总额就达到了1.06亿美元。

2011年,三星吞并了一个叫做Gradis技术研发公司后也介入了STT-RAM研究。

现状

此时显然还没有主要的闪存制造商只支持一种后闪存时代技术,在El Reg看来有两个原因。

首先,没有明显的高端技术出现,PCM,RRAM,STT-RAM大致处于平等地位,在一些像Crossbar 和Spin-Transfer科技的企业把精力集中在他们自己的研究上时,闪存运营制造商把post-nand技术放在了次要位置。

他们通过3D和TLC来提高NAND闪存密度,通过使用NVMe甚至flashDIMM接口来降低延迟。在接近2020年之前他们并不急于开发其他任何的产品。

该领域备受推崇的咨询顾问,Jim Handy客观分析说,“我预计2023年RRAM或者其它极具竞争力的技术将会取代闪存和动态存储,如今根深蒂固的技术还会跟随我们一段时间。

在那之前,其他所有想要取代DRAM和闪存的技术都不会是主流。

后闪存技术公司小众并且资金不足。

到那时,闪存芯片会不断升级,加一层一层的cells来增大容量,需要时用TLC提供一个额外的弹性容量。

现在任何系统软件通常都不用考虑后闪存时代存储器,研发公司可以慢慢来。

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