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整理下一代内存

一长串新的内存类型正在冲击市场,但哪些会成功尚不清楚。

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在数据中心和相关环境中,高端系统正在努力跟上不断增长的数据处理需求。

在这些系统中有几个瓶颈,但是有一个部分仍然受到过多的关注,如果不是部分原因的话,就是内存和存储层次结构。

静态存储器(该层次结构的第一层)集成到处理器中用于缓存,以实现快速数据访问。然后,动态随机存取记忆体,层次结构中的下一层,用于主存。最后,磁盘驱动器和基于nand的固态存储驱动器(ssd)用于存储。

2007年,ssd进入数据中心。根据Forward Insights的说法,ssd有助于将系统中DRAM和磁盘驱动器之间日益增长的延迟差距减少10倍。但随着数据的持续爆炸,在今天的系统中,DRAM和NAND之间大约有1000倍的延迟差距。

“市场现在正试图以更快的速度消耗更多的比特,”美光科技(Micron Technology)存储新兴内存产品副总裁乔恩·卡特(Jon Carter)说。“我们对网络、存储栈和软件栈进行了创新。现在,瓶颈是底层内存。”

事实上,多年来,业界一直在寻找一种新的内存类型,可以解决延迟差距。从理论上讲,该技术将具有DRAM的性能和成本及非挥发性的特点闪光

有些人将其称为存储类内存。与以前一样,下一代内存类型包括MRAM相变,ReRAM甚至是碳纳米管公羊。

今天,其中一些技术正在市场上进行运输或抽样。但由于成本和技术因素,有些人永远无法实现。CMOS平台业务部门高级副总裁Gregg Bartlett说:“新兴存储器已经在实验室里研究了10年GlobalFoundries.“新出现的记忆总是能带来很多希望。但问题是,你能制造出来吗?现在,它正在向主流技术过渡。”

那么,哪种技术最终会胜出呢?没有简单的答案。为了帮助原始设备制造商走在前面,半导体工程研究了新内存类型的现状和未来的挑战。

需要:通用内存
多年前,该行业希望开发一种所谓的通用内存,从理论上讲,这是一种可以取代DRAM、闪存和SRAM的单一设备。当时,通用存储器的候选技术与今天争夺主导地位的技术相同——mram、相变和ReRAM。

但是由于系统的复杂性和I/O需求的飙升,目前还没有一种新一代内存类型可以取代现有的内存。传统内存的规模比之前想象的要大得多,这就推动了对下一代内存技术的需求。

然而,今天,由于系统中延迟的差距越来越大,一种新的内存类型有了发展的空间。一项新技术不会取代一切,但它可以在特定的应用中发挥作用,并与今天的记忆共存。

“我预计这些高级存储器将首先应用于识别或利用其独特优势之一的应用程序中,”David Fried说Coventor.“我还预计,最终会有几种不同的技术胜出,就像SRAM、DRAM和NAND共存了几代人一样。”

其他人也同意。”物联网公司电介质蚀刻产品副总裁Harmeet Singh表示:“市场对不同类型的存储器的需求正在爆炸式增长林的研究.“我们预计下一代存储器将与其他存储器共存,3D NAND将成为非易失性存储器的主力。”

但并不是所有的公司,或者所有新奇的存储器类型都能成功。“这些技术只有一定的发展空间,”中国科学院硅系统集团存储器和材料董事总经理Er-Xuan Ping说应用材料

根据Ping的说法,下一代内存类型3D XPoint可能会在某些应用中找到一席之地。“其他记忆有机会,但它们需要加快步伐,迎头赶上,”他说。

在短期内,下一代技术不太可能取代现有的内存。“今天的记忆在经济方面已经得到了高度优化。就其功能而言,DRAM价格低廉。NAND也是,”他说。“在成本方面,任何新的东西都很难取代它。”

3D XPoint vs Z-SSD
同时,有几种方法可以减少系统中的延迟差距。一种方法是使用下一代NAND和/或新的内存类型开发更快的ssd。

今天,平面和3D NAND被用于ssd。平面NAND在1xnm节点上已经失去动力,需要替代技术。这个替换就是3 d与非它就像一座垂直的摩天大楼,水平层堆叠起来,然后用微小的垂直通道连接起来。

固态硬盘已经进入个人电脑。但真正的行动发生在企业中,ssd正在取代传统的磁盘驱动器。高端服务器的磁盘驱动器的转速为10,000和15,000 rpm。

三星半导体NAND产品营销总监瑞安·史密斯(Ryan Smith)表示:“总体而言,NAND闪存的价格逐年下降。”“ssd的价格点已经变得足够有吸引力,足以迅速取代10K和15K硬盘。”

不过,总的来说,NAND存在一些问题。基本上,NAND设备必须经过编程。数据被写入设备中的一个小块。通常,可以检索和读取数据,但不能在块中更新数据。要更新它,必须擦除并重写该块。

专家表示,有时这个过程太慢,至少对一些高端应用来说是这样。因此,市场已经成熟,需要一种新的内存技术,可以帮助加快系统的速度。

为此,有几个候选,如3D XPoint, ReRAM和现在的Z-SSD。联合开发的英特尔据推测,3D XPoint的速度要比NAND快1000倍,续航能力要比NAND强1000倍,密度是传统内存的10倍。

3D XPoint填补了NAND和DRAM之间的空白。英特尔将在企业SSD和服务器内存中集成3D XPoint设备。与此同时,美光将使用该设备作为企业SSD。“3D XPoint是一款企业级产品,”美光的Carter说。“你会在高端SSD领域看到它。它将驱动关键任务的工作负载。”

然而,3D XPoint面临着一些挑战。首先,英特尔和美光需要为这项技术开发一个全新的生态系统,比如控制器。然后,英特尔和美光将需要降低3D XPoint的成本,但这不会一蹴而就。客观分析公司(Objective Analysis)的分析师吉姆·汉迪(Jim Handy)说:“我预计,在它推出后的头几年里,它将是赔钱的生意。”“如果它的定价不低于DRAM,那么它在内存市场的地位就没有任何意义。”

3D XPoint到底是什么?到目前为止,英特尔和美光还没有透露有关这项技术的很多细节。

最初,3D XPoint设备的密度将达到128千兆比特。第一批设备将由两个堆叠层组成。垂直导体将两层连接起来。导体具有单独的开关元件和存储单元。每个存储单元存储一位数据。

根据内存专家、ReRAM初创公司4DS的首席技术官Seshubabu Desu的说法,基于各种计算,3D XPoint是一种19纳米技术。德苏最近做了一个演讲,在演讲中,他对新的记忆类型提供了深刻的见解。

“(英特尔和美光)都坚称3D XPoint不是相变存储器,”Desu说。“他们确实说开关,或选择器,是一个音频阈值开关。这是一种硫属化合物基材料。”

双开关是一种两端设备,让人联想到相变存储器,有时也称为PCM。PCM以非晶态和晶体相存储信息。它可以与外部电压可逆切换。

总的来说,3D XPoint结合了相变和ReRAM的特点。“(3D XPoint)是PCM的一种风格,”Desu说。

据专家称,3D XPoint可以从19纳米扩展到15纳米,但将其推广到10纳米甚至更远仍然具有挑战性。“如果你使用电流,你可以得到的最大密度光刻技术技术大概是4到6个堆栈。也就是512千兆。”Desu说。

同时,针对3D XPoint,三星最近推出了一种叫做Z-SSD的新技术。Z-SSD基于NAND技术,面向高端企业级ssd。Z-SSD采用了新的电路设计和控制器,与现有的高端ssd相比,延迟降低了4倍,顺序读取性能提高了1.6倍。

三星正在实验室中探索各种下一代内存类型,但该公司表示,为高端应用开发新的更快版本的NAND更有意义。Smith表示:“我们之所以选择基于nand的技术,是因为这是一项经过验证的技术。”“我们想要选择一种已经投入生产并且已经具备效率的产品。换句话说,它具有市场所需的成本结构。”

不过,三星尚未透露Z-SSD背后的细节。“Z-SSD是三星对3D XPoint的反击,”Web-Feet Research总裁艾伦•尼贝尔(Alan Niebel)说。“Z-SSD使用V-NAND (3D NAND)的一种形式,它可能是具有更短比特线的TLC,使其成为低延迟NAND。”

嵌入式内存之战
据尼贝尔称,三星正在研发其他类型的内存。“他们将首先发货(Z-SSD),”他说。“之后,他们将推出MRAM和ReRAM,因为基础设施能够支持它们。”

其他人也在研究ReRAM,它被认为是3D NAND的继承者。ReRAM非挥发性的,基于电阻元件材料在两个稳定电阻状态之间的电子切换。ReRAM提供了更快的写入时间,比现在的闪存更持久。

ReRAM是一项很难开发的技术。此外,3D NAND可能会比之前的预期进一步扩展,从而推动ReRAM作为NAND的可能替代品的需求。

不过,最初,ReRAM和其他下一代内存类型正在进入嵌入式市场。如今,嵌入式市场由传统闪存主导。嵌入式闪存用于微控制器(mcu)和其他设备。

嵌入式闪存的主流市场是40nm及以上,尽管该行业已开始向更小的几何尺寸迁移。“开发方面的重点是28nm,”中兴通讯商业管理副总裁Walter Ng表示联华电子

还有其他变化。“有一组客户在MCU领域使用非易失性存储器。他们必须在特定的时间投放市场。总的来说,我们正在推动这些客户使用更传统的解决方案。但他们也对其他一些更独特的解决方案感兴趣。”

对于嵌入式,新的解决方案包括ReRAM, MRAM和碳纳米管ram。2013年,松下推出了全球首款用于嵌入式应用的ReRAM。它集成了一个180nm ReRAM器件和一个8位控制器。

最近,Adesto推出了一种基于reram的技术,称为导电桥接RAM (CBRAM)。针对EEPROM替换市场,Adesto最新的cbram比同类存储产品低50至100倍。

另一家公司Crossbar将很快为嵌入式市场推出8mb的ReRAM。Crossbar的ReRAM基于40nm工艺,基于1T1R(一个晶体管/一个电阻)技术。

Crossbar市场和业务发展副总裁Sylvain Dubois说:“嵌入式ReRAM比现有的闪存技术更快,功耗更低。”“这是一种可变的记忆。你不需要擦除一整块并编写一整页的程序来更新你的记忆。”

Crossbar的下一款芯片是基于28nm工艺的1gb ReRAM芯片。Crossbar首席执行官乔治•米纳西安(George Minassian)表示:“它既可以用于高密度嵌入式应用,也可以用于独立应用。”“它会在NOR之后。”

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图1:Crossbar的ReRAM架构使用非导电非晶硅作为金属灯丝形成的主材料。来源:横梁

然后,在另一项发展中,富士通最近授权了Nantero的NRAM,一种基于碳纳米管的非易失性RAM。NRAM声称比DRAM更快,而且像闪存一样不易挥发,功耗基本为零。

今天,业界继续开发传统的嵌入式闪存,但也在致力于下一代技术。那么,下一代内存类型会取代传统的嵌入式闪存吗?"我不相信,也没有人觉得,会在一夜之间发生转变,我们会从一些传统解决方案转向这些其他解决方案," UMC的Ng说。

那MRAM呢?
与此同时,第二代MRAM技术——自旋转移扭矩MRAM (STT-MRAM)的发展势头正在增强。MRAM利用电子自旋的磁性来提供非挥发性。MRAM提供了SRAM的速度和闪存的非波动性,具有无限的续航能力。

有几家公司正在研究STT-MRAM,尽管Everspin仍然是唯一的供应商。Everspin将其技术称为ST-MRAM。Everspin最新的ST-MRAM是一个256兆的设备,带有DDR-3接口。它基于其代工合作伙伴GlobalFoundries的40nm工艺。

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图2:STT-MRAM记忆单元和动态自旋运动。资料来源:明尼苏达大学科学与工程学院。

Everspin的新设备可以解决一个主要问题。简单来说,ssd使用基于dram的缓冲区来帮助加快系统速度。但如果系统断电,数据就有危险。为了解决功耗问题,ssd还将包含电容器,但这增加了系统的成本。

为了解决这个问题,ST-MRAM可以被合并到SSD的写缓冲区套接字中。ST-MRAM是一种持久的非易失性存储器。Everspin的产品营销总监乔·奥黑尔(Joe O 'Hare)说:“这样,你就不需要这些电容器了。”

Everspin还在开发基于GlobalFoundries 28纳米工艺的1gb ST-MRAM。与此同时,GlobalFoundries正在开发Everspin ST-MRAM技术的嵌入式版本。

最初,GlobalFoundries的eMRAM技术将用于22nm芯片FD-SOI平台。GlobalFoundries的Bartlett表示:“我们将同时进行代码存储和工作数据存储。”“我们最终将能够用小于6T STRAM的内存做非常大的L3缓存阵列。”

可以肯定的是,MRAM有多种应用。STT-MRAM技术的开发商Spin Transfer Technologies的首席执行官巴里·霍伯曼(Barry Hoberman)说:“STT-MRAM有几个清晰可见、量大且容易摘到的果实。”“我在存储、移动、汽车和物联网领域看到了巨大的机遇。STT-MRAM非常适合独立应用和嵌入式应用。

“从长期来看,我确实认为MRAM比特单元将变得比DRAM电容单元更小,更便宜。但在此之前,DRAM的终极低成本和密度仍然至关重要,而非波动性、低功耗和即时‘开启’都不受重视。”“然而,在那一天到来之前,在波动性、刷新功率和刷新占空比对系统设计师来说是负担的地方,STT-MRAM将是替代DRAM的优秀候选。”

那么STT-MRAM会取代DRAM吗?短期内不会。首先,最便宜的替代方案可能只是重新配置或延长现有DRAM技术的寿命。

迈威尔公司的通过添加最终级缓存,自动加载所需代码和清除不需要的代码来改进DRAM的功能。Marvell的技术营销总监黄胜(音)说:“优化后的缓存率最高可提高99%。”“你可以利用一种算法来做到这一点,它允许我们设计一个更小的查找表。”

Rambus同样是试图通过改变基本数据架构来更好地利用DRAM。“瓶颈是移动数据,”Rambus解决方案营销副总裁史蒂文·吴(Steven Woo)说。“最好是将处理转移到更小的数据上。我们需要考虑如何解决更现代的瓶颈。”

尽管如此,已经有很多下一代内存类型,而且更多的正在开发中。时间会告诉我们哪些会流行,哪些不会。

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8的评论

witeken 说:

“3D XPoint可以从19纳米扩展到15纳米,但根据专家的说法,将其扩展到10纳米甚至更远仍然具有挑战性。”

你可以称自己为专家,但那些所谓的专家怎么可能知道3D XPoint,如果他们甚至不知道它是什么?或者更准确地说,他们知道它是什么(带Switch的PCM),但他们对它的特性一无所知,因为IMFT秘密开发了它。我们所知道的唯一一件事是,IMFT去年表示,他们可以通过(1)根据摩尔定律进行扩展,(2)通过堆叠更多的层,尽管这并不像NAND那样具有成本效益和简单,(3)通过将每个单元增加2位或更多。

everest333 说:

“3D XPoint据称比NAND快1000倍,续航能力比NAND强1000倍,密度是传统内存的10倍。”

事实上,他们确实使用了upto条款,然而,显然这些upto声明实际上是错误的,因为英特尔最近的声明也是错误的…

“让我们从他们2015年7月28日发布的声明开始。一定要注意这些数字,它们以后会很重要,从发布时的这张幻灯片开始。”

“4倍非常接近10倍,对吧

嗯,10倍的密度变成了4倍的密度,这并不好,但SemiAccurate从IDF2015到几周前的多次演示都支持这个4倍的数字。这包括公开文件和NDA文件,现在所有文件都坚持一个不是10倍密度的数字。”

“数据没有说1000倍,我认为更接近10倍

实际上,如果你是英特尔,如果你谈论的是像Xpoint/Optane这样的坏技术,那么你很容易就会倒退100倍。看看发布幻灯片上的续航数据,这将是另一个1000倍的声明,而在IDF2016幻灯片上,这将是一个3倍的声明,两者都与NAND进行了直接的苹果对比,难怪苹果不打算使用这个。如果你想知道,1000除以3等于333。”

等等,等等……

显然,唯一真正的选择是使用Everspin和Globalfoundries团队进行嵌入式ST-MRAM
你想要带有嵌入式内存的22nm SOI器件吗?选择,如果你作为最终消费者想要购买任何先进的套件。

我们真的应该看到Globalfoundries和三星ST-MRAM合作生产通用的ST-MRAM高带宽内存v3?和OC三星宽I/O HBM配置,还具有DDR4+直接宽IO路径,可用于2018/19年的移动UHD2/8K SoC,这是真正的创新……

everlasting333 说:

苹果不会用它的,因为他们没有史蒂夫·乔布斯聪明。

witeken 说:

我不否认英特尔用了很多夸张的3D XPoint,但SemiAccurate不是一个好的来源。事实证明,SemiAccurate倾向于歪曲事实,让事情看起来更有戏剧性。无论如何,我们可以肯定地说,英特尔把上市时间搞砸了。他们去年非常非常有信心,认为它将在今年上市,但现在看来这是不可能的。我的意思是,他们在问答环节中被问到,这是不是还需要5年才能实现的技术,他们否认了。但它在哪里呢?

这是我现在最关心的。我想看看那些可以被可靠来源审查的产品,然后我们才能得出结论。

everest333 说:

当然,“SemiAccurate有歪曲事实的倾向”,但在这种情况下,他只是使用了现有的情报提供的事实和陈述,所以很明显他的观点站在这一点上…

还有,我很长一段时间以来都很喜欢MRAM,因为它可以大规模地做Sram…与everspin的关系,他公开声明并重复了他们,当他被证明是正确的时,他倾向于幸灾乐乐之…

“简而言之,Everspin的垂直磁隧道结(pMTJ)自旋扭矩MRAM现在已作为分立芯片在GF生产。

只是为了好玩,Everspin用这些256Mb芯片构建了一个PCIe SSD来展示他们的能力。

它的大小可能只有1GB,但这个PCIe SSD,实际上是一个FPGA和内存,推动了一些相当惊人的数字。

4K块大小的1.5M IOPS如何打动你?如果我告诉你100%是写的呢?”

永恒的 说:

事实是我们最关心的。为什么你的焦点是半准确或永远旋转,而不是完全准确和从不旋转?

ˢᵐᵃʳᵗᵍᵘʸ 说:

漫威和Rambus的方法似乎是最好的。

一种小型且昂贵的低延迟智能缓存,可以立即处理小请求,并以较小的延迟处理大请求;由于大的请求延迟会受到延迟的影响,因此延迟在访问所花费的总时间中所占的比例较小。

没有什么比长时间等待一个简短的回答更糟糕的了,尤其是如果它阻碍了后续的请求。

(读取)中的长时间传输可以在程序中通过寻找其他事情来处理。

长时间的写作只有在遇到后续阅读时才会很不幸(就像把一本书放在书架上,却发现由于缺乏远见,它必须重新取走)。

最简单的例子是HDD上的缓存,虽然不“智能”,但它确实极大地加快了访问速度。

马克LaPedus 说:

嗨XeviousDeathStar。谢谢你的建议。还有其他有前途的技术吗?

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