为了降低云和边缘的功耗,兼具高性能和易失性的新型存储器以及基于新型材料的存储器技术,正加速新型存储器的创新之路,如自旋磁存储器MRAM(MagnetoresistiveRandom Access Memory)、阻变存储器RRAM(Resistive Random Access Memory)、相变存储器PCM(phase change memory)、铁电存储器FeRAM(Ferroelectric RAM)等。
MRAM,自旋磁存储器
MRAM是一种非易失性的磁性随机存储器,它利用磁电阻效应来存储数据,核心原理是利用材料的磁阻效应,即材料的电阻会随着外部磁场的变化而变化,从而通过改变电流方向和大小,可以改变其中一个磁性层的磁化方向,由此实现数据的写入和读取。
其实这也不是什么新兴技术。早在上世纪五十年代就已经被提出,并在军用方面得到广泛应用。近年来随着专利过期,才得以在民用市场不断突破创新。MRAM是当前主流非易失性存储器中能与DRAM 和SRAM读写速度相提并论的存储器,能满足从缓存到内存的非易失存储需求。MRAM有望根据不同的带宽需求逐步替代现有的不同类型的存储器,如SRAM、DRAM以及Flash 等。
MRAM的优势在于它在具有非易失性的同时在速度、功耗、成本上较为折中,因而得以具有广泛的应用前景。面对巨大的市场空间,全球掀起了以MRAM为代表的自旋芯片研发热潮。据了解,三星、IBM等已经实现商用。其中,三星自2019年,就开始量产28nm 嵌入式MRAM。据媒体报道,三星看好未来车用领域对 eMRAM 的需求。目前三星已完成 14nm eMRAM 的开发,8nm eMRAM 开发也基本完成,并计划 2027 年推出 5nm eMRAM。
RRAM,阻变存储器
RRAM阻变存储器是一种新型的非易失性存储器,它通过向金属氧化物薄膜施加脉冲电压,产生大的电阻差值来存储“0”和“1”。其结构简单,从而简化了制造工艺,同时还可实现低功耗和高速重写等卓越性能。
RRAM阻变存储器其实也就是大家熟知的忆阻器,最早是在1971年由华裔科学家,时任教于加州大学伯克利分校的蔡少棠教授提出的。RRAM在独立式难以应用,但在嵌入式有广阔的应用前景,尤其在类脑计算领域,优势明显。
传统冯·诺依曼结构下,数据的存储和计算相互分离,即数据存储在储存器中,需要计算时再把它搬运到运算器里。然而,AI类应用(例如大模型)需要对大量数据进行矩阵运算,其核心是乘法和加法,在此情形下算力是比较吃紧的,面临着很大挑战。(EETOP此前有专门推送过忆阻器的文章,感兴趣的朋友,可点击链接,阅读原文:访谈清华大学高滨教授:大模型时代的存算一体芯片)
RRAM的应用领域包括物联网、汽车电子、工业控制等。虽然过去业内认为RRAM还不够成熟,且主要面向的是小算力市场。不过,随着人工智能、大数据、大模型等技术的不断迭代更新及迅速落地应用后,自2023年开始,市场对RRAM的热度已经居高不下,很多国际大厂纷纷宣布要量产,如Intel、TSMC、三星、格罗方德、UMC、中芯国际、华力等。
与此同时,据IMARC Group的报告显示,2022年全球MRAM市场规模已经达到4.271亿美元。展望未来,IMARC Group预计:2023-2028年,MRAM的增长率(CAGR)为44.5%;到2028年该市场将高达45.25亿美元。
PCM,相变存储器
PCM相变存储器是一种非易失存储设备,它利用硫族化合物在晶态和非晶态巨大的导电性差异来存储数据,具有存取速度快和可靠性高等优点。特别地,PCM因其具备非易失性、可字节寻址等特性而同时具备作为主存和外存的潜力,在其影响下,主存和外存之间的界限也正在逐渐变得模糊,有望部分替代目前被公众所熟知的传统存储技术如DRAM、Flash。据了解,目前成熟产品已经应用于数据中心。
FeRAM铁电存储器
FeRAM铁电存储器是一种随机存取存储器技术,是一种在断电时不会丢失内容的非易失存储器,具有高速、高密度、低功耗和抗辐射等优点。随着人工智能和大数据技术的飞速发展,对算力和存储的需求日益增长。传统的计算架构逐渐显露出局限性,这促使学术界和产业界开始探索新的计算架构和信息器件。