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存儲(chǔ)器占整個(gè)半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模超 20%，具有極高的技術(shù)壁壘和資本壁壘，存儲(chǔ)器似乎是巨頭的一場(chǎng)游戲競(jìng)技，三四個(gè)寡頭已壟斷全球 90%以上的市場(chǎng)。近幾年來(lái)，隨著移動(dòng)智能終端快速滲透以及產(chǎn)品需求的高速增長(zhǎng)，存儲(chǔ)器也從中受益。

如今，我國(guó)半導(dǎo)體的崛起押寶在存儲(chǔ)器上，這樣的做法的也是有先例可循的。日本、韓國(guó)都是從存儲(chǔ)器“起家”，日本半導(dǎo)體可謂成也 DRAM，敗也 DRAM；韓國(guó)窺見(jiàn)日本秘笈，成就存儲(chǔ)霸主。三星及海力士?jī)杉覊艛嗟木置婕航?jīng)持續(xù)多年，三星己連續(xù) 24 年稱霸全球。

DRAM 方面，三星、海力士及美光成最后的勝者；NAND 方面，三星、東芝 / 新帝、海力士以及美光 / 英特爾是最大的贏家。

如今在走在岔路口的東芝欲將最掙錢的存儲(chǔ)業(yè)務(wù)出售，存儲(chǔ)格局也將被改寫。

競(jìng)爭(zhēng)如此激烈，各巨頭又是如何布局下一代存儲(chǔ)器技術(shù)的？

今天《趣科技》我們就來(lái)說(shuō)說(shuō)游戲升級(jí)，存儲(chǔ)巨頭將如何繼續(xù)下去。

存儲(chǔ)器是現(xiàn)代信息技術(shù)中用于保存信息的記憶設(shè)備。其覆蓋的范圍非常廣泛：在數(shù)字系統(tǒng)中，只要能保存二進(jìn)制數(shù)據(jù)的都可以是存儲(chǔ)器；在集成電路中，一個(gè)沒(méi)有實(shí)物形式的具有存儲(chǔ)功能的電路也叫存儲(chǔ)器，如 RAM、FIFO 等；在系統(tǒng)中，具有實(shí)物形式的存儲(chǔ)設(shè)備也叫存儲(chǔ)器，如內(nèi)存條、TF 卡等。

我們先來(lái)看一下存儲(chǔ)器的分類情況：

多年來(lái)，業(yè)界一直在尋找一種可以解決延遲差距的新型內(nèi)存類型。理論上，該技術(shù)將具有 DRAM 的性能和閃存的成本和非易失性特性。而在短期內(nèi)，下一代技術(shù)不太可能取代現(xiàn)有的內(nèi)存，因?yàn)?DRAM、 NAND 都很便宜，成本是一大問(wèn)題。

下面我們就來(lái)看看哪些是下一代存儲(chǔ)器技術(shù)。

3D XPoint、Z-SSD、MRAM、ReRAM 都被看作是下一代存儲(chǔ)器。

3D XPoint

美光在韓國(guó)雙雄三星和 SK 海力士的攻擊下，DRAM 和 Flash 業(yè)務(wù)發(fā)展都不如預(yù)期，所以美光與 Intel 合力開發(fā)了這種新型的存儲(chǔ)技術(shù)。

3D-Xpoint 是一種基于閃存顆粒的存儲(chǔ)技術(shù)的革命，它的誕生將改變 NAND 傳統(tǒng)的存儲(chǔ)規(guī)則，從根本上提高閃存顆粒的存儲(chǔ)性能，從而極致的提高以固態(tài)硬盤為代表的存儲(chǔ)設(shè)備的讀寫表現(xiàn)。3D XPoint 是自 1989 年 NAND 閃存推出至今的首款基于全新技術(shù)的非易失性存儲(chǔ)器，集 NAND 類似的容量和 DRAM 類似的性能于一身。

美光、Intel 將會(huì)各自推出了自家的產(chǎn)品，美光的叫做 QuantX，Intel 的是 Optane。

3D XPoint 被認(rèn)為是改變行業(yè)游戲規(guī)則的革命性技術(shù)，有這四大亮點(diǎn)：
1. 其速度是 NAND Flash 的 1000 倍
2. 其成本大約是 DRAM 的 1/2
3. 其使用壽命是 NAND 高出 1000 倍
4. 其密度是傳統(tǒng)存儲(chǔ)器的 10 倍

工作原理如下圖所示：

3D XPoint 市場(chǎng)潛力巨大，Intel 和美光將 3D XPoint 的市場(chǎng)定位在高端 SSD 和 DDR4 NVDIMM，是一個(gè)適合企業(yè)級(jí)應(yīng)用的產(chǎn)品。對(duì)于 SSD 應(yīng)用，3D XPoint 其復(fù)雜的制造工藝導(dǎo)致成本較高。另一方面，DDR4 NVDIMM 對(duì)于 3D XPoint 來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的切入點(diǎn)，因?yàn)?3D XPoint 的讀取延時(shí)很低（大約在 100ns 左右）。預(yù)計(jì) 3D XPoint 量產(chǎn)后很長(zhǎng)一段時(shí)間是無(wú)法取代 DRAM 的。

Z-SSD

三星推出了 Z-SSD 新技術(shù)，將其性能水平定位在 SSD 與 DRAM 之間，劍指美光與英特爾的 XPoint 技術(shù)。

Z-SSD 基于 NAND 技術(shù)，目標(biāo)應(yīng)用是高端企業(yè) SSD。Z-SSD 采用了新的電路設(shè)計(jì)和控制器，實(shí)現(xiàn)了比現(xiàn)有高端 SSD 低 4 倍的延遲和 1.6 倍的順序讀取。三星采用 V-NAND 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)并配合一套獨(dú)特的電路設(shè)計(jì)及控制器，能夠最大程度提升性能水平，其延遲與連續(xù)讀取性能水平分別達(dá)到三星 PM863 NVMe SSD 的四分之一與 1.6 倍。

PM963 的最高連續(xù)讀取傳輸帶寬為每秒 1.6 GB，而新一代 Z-SSD 的同項(xiàng)參數(shù)則可提升至每秒 2.56 GB。不過(guò)其延遲水平則要靠估計(jì)，因?yàn)槿菦](méi)有公布過(guò) PM963 的延遲。美光 9100 NVMe SSD 的寫入延遲為 30 納秒，同等比較之下這可能意味著 Z-SSD 的延遲為 7.5 納秒，與英特爾的 Optane XPoint 7 納秒延遲基本相當(dāng)。

Z-SSD 具有獨(dú)特的電路設(shè)計(jì)，似乎在說(shuō)明采用的是 SLC 芯片，這意味著其在基礎(chǔ)層面擁有遠(yuǎn)超 MLC 或者 TLC 產(chǎn)品的讀取與寫入速度。

MRAM

MRAM 全稱是磁性隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器。目前，MRAM 的諸多研究中，已經(jīng)可以開始生產(chǎn)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)被稱為 STT MRAM（自旋轉(zhuǎn)移力矩磁性隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器）。IBM 公司在 MRAM（磁性隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器）領(lǐng)域已經(jīng)投入了二十年時(shí)間。最初 IBM 配合摩托羅拉希望打造一款場(chǎng)交換式 MRAM，如今 IBM 聯(lián)手三星致力于全新的 MRAM 技術(shù)——STT MRAM。其中的每個(gè) bit 單元都包含一個(gè)晶體管外加一條垂直排列的隧道交叉點(diǎn)。該隧道交叉點(diǎn)包含兩個(gè)磁體，其一的北極永遠(yuǎn)指向上，其二則為自由磁體、其北極可在向上與向下間切換以代表存儲(chǔ) 0 或者 1。其只需要 7.5 微安電流通過(guò)即可實(shí)現(xiàn)偏振方向編程。

工作原理：
單一場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）通過(guò) STT MRAM 內(nèi)的一條垂直磁性隧道交叉點(diǎn)（MRJ）實(shí)現(xiàn)讀寫電流控制。位于堆疊結(jié)構(gòu)底部的 FET 接入該 MRJ，后者則由鈷 - 鐵 - 硼（CoFeB）化合物層構(gòu)成，同時(shí)配合固定旋轉(zhuǎn)取向的鎂氧化物（MgO）隧道柵極以及可進(jìn)行自旋轉(zhuǎn)變以代表 0 與 1 的 CoFeB 頂層。此堆疊體系還輔以另一 MgO 層，旨在強(qiáng)化垂直磁體各向異性（簡(jiǎn)稱 PMA）并降低自旋電流流失。

STT MRAM 的關(guān)鍵性優(yōu)勢(shì)在于結(jié)合了非易失性與無(wú)限使用壽命，這不同于當(dāng)前乃至可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)所存在的任何其它存儲(chǔ)技術(shù)。另外，其亦通過(guò)對(duì) bit 以及磁性材質(zhì)垂直異向性的優(yōu)化擁有極長(zhǎng)的數(shù)據(jù)駐留周期。

相比目前的 DRAM 或者 SRAM，MRAM 的優(yōu)勢(shì)還是非常明顯的。包括它的高可制造性、高數(shù)據(jù)密度、高速度、非易失性和耐久性等。似乎 MRAM 成為“萬(wàn)能內(nèi)存王”指日可待。

ReRAM

ReRAM 是基于電阻式隨機(jī)存取的一種非易失性存儲(chǔ)器，它可將 DRAM 的讀寫速度與 SSD 的非易失性結(jié)合于一身，同時(shí)具備更低的功耗及更快的讀寫速度。雖然 ReRAM 的名字中帶 RAM，但其實(shí)是像 NAND 閃存那樣用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的 ROM，只不過(guò)它的性能更強(qiáng)。

其密度比 DRAM 內(nèi)存高 40 倍，讀取速度快 100 倍，寫入速度快 1000 倍。ReRAM 單芯片（200mm 左右）即可實(shí)現(xiàn) TB 級(jí)存儲(chǔ)，還具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造等優(yōu)點(diǎn)。ReRAM 存儲(chǔ)芯片的能耗可達(dá)到閃存的 1/20，數(shù)據(jù)擦寫上限是后者的 10 倍。

作為存儲(chǔ)器前沿技術(shù)，ReRAM 未來(lái)預(yù)期可以替代目前的 FlashRAM，并且具有成本更低、性能更突出的優(yōu)勢(shì)。

ReRAM 基于憶阻器原理，將 DRAM 的讀寫速度與 SSD 的非易失性結(jié)合于一身。關(guān)閉電源后存儲(chǔ)器仍能記住數(shù)據(jù)。如果 ReRAM 有足夠大的空間，一臺(tái)配備 ReRAM 的 PC 將不需要載入時(shí)間。

中芯國(guó)際已正式出樣采用 40nm 工藝的 ReRAM 芯片，并稱更先進(jìn)的 28nm 工藝版很快也會(huì)到來(lái)。

存儲(chǔ)拼得是什么？似乎已不止是容量，下一代存儲(chǔ)器，誰(shuí)能稱王，時(shí)間會(huì)是最好的答案。

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