王家源

服役了近30年的閃存技術(shù)，似乎開始顯現(xiàn)出一些“老態(tài)”。

從U盤、手機(jī)SM卡、相機(jī)CF卡和SD卡，到平板和電腦的存儲器，閃存現(xiàn)在已應(yīng)用于各種數(shù)碼產(chǎn)品上了，它能幫你記住喜歡的電影、音樂，收藏的網(wǎng)站、店鋪。

然而，考慮到現(xiàn)在的信息更新頻率和數(shù)據(jù)容量，閃存的能力或許快要被榨干了。面對TB、PB（1024TB）、EB（1024PB）、ZB（1024EB）甚至更高單位的新增數(shù)據(jù)，這個誕生于1980年代末的技術(shù)存儲空間還是不夠大，速度也不夠快，換掉它是遲早的事。

近兩年才成為研究熱點的阻變式存儲器（下簡稱為“RRAM”），被普遍認(rèn)為是最有可能替代閃存的存儲技術(shù)。

目前為止，它還沒有一款量產(chǎn)產(chǎn)品。不過，這種情況可能會很快改變。一家名為Crossbar的公司，今年已發(fā)布了該技術(shù)的樣品，它能把1TB的數(shù)據(jù)裝進(jìn)郵票大小的芯片上，預(yù)計明年該產(chǎn)品會逐步量產(chǎn)。

比起閃存，RRAM在性能上有大幅提升。智能手機(jī)上用于存放操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的是NAND閃存，RRAM的寫入速度比它快了將近1000倍。RRAM的讀取延遲只有50納秒，而NAND閃存的延遲停留在微秒級別，也就是說，RRAM快了上萬倍。

除此之外，閃存還有個缺陷。目前的閃存芯片已經(jīng)接近了微縮極限，也就是說它不能更小了。

存儲器廠商一直在追求更小的納米工藝、更強(qiáng)大的性能。更小意味著功耗降低，更省電，成本更低，而由于晶體管之間的間距變小，性能也會隨之變強(qiáng)大。

但小也有極限。在理想情況下，芯片中各個小元件是穩(wěn)定的，然而隨著電子設(shè)備越來越小，元件會變得越來越不穩(wěn)定。

“傳統(tǒng)的存儲技術(shù)都是基于電子的，當(dāng)設(shè)備越來越小，電子會四處亂竄，數(shù)據(jù)將跑到相鄰的存儲單元，造成讀寫錯誤?！盋rossbar公司市場營銷和業(yè)務(wù)開發(fā)副總裁西爾萬·迪布瓦（Dylvain Dubois）對《第一財經(jīng)周刊》說。專門研究RRAM技術(shù)的這家公司，已經(jīng)研制出了10納米以內(nèi)的技術(shù)，電阻形成的細(xì)絲則小于5納米。

而目前芯片普遍處于20納米時代，對于更小的10納米的研究也在繼續(xù)。但20納米級別的芯片表現(xiàn)并不好，這個極限馬上就要到頭了。

當(dāng)然，NAND閃存也曾想辦法自救，3D NAND閃存就通過改變芯片結(jié)構(gòu)，將其從平面變立體，提高了一些閃存的容量，但本質(zhì)上，這并沒有突破傳統(tǒng)NAND閃存的技術(shù)硬傷。

閃存芯片的耐用性也跟尺寸緊密相關(guān)。由于閃存芯片制程只有幾十納米，每次編程或擦除數(shù)據(jù)的時候，產(chǎn)生的電子都會損耗芯片中存儲數(shù)據(jù)的絕緣層，直至被消耗殆盡。這讓編程或擦寫的次數(shù)變得很有限，目前NAND閃存僅能擦寫幾千次。這也是閃存芯片尺寸越小壽命越低的原因。

而理想情況下，RRAM的編程、擦寫循環(huán)可以達(dá)到數(shù)百萬次，發(fā)展初期，也能做到10萬次左右。原因是，RRAM技術(shù)改變了數(shù)據(jù)存儲的方式，可以讓RRAM芯片兼得小尺寸和高密度容量。

Crossbar RRAM的技術(shù)原理是改變材料的電阻來存儲數(shù)據(jù)。它的存儲單元由三層組成，上下兩層是金屬電極，中間是非結(jié)晶態(tài)交換介質(zhì)。

當(dāng)電流由一個方向經(jīng)過單元時，來自頂部電極的離子遷移到交換介質(zhì)中。當(dāng)被遷移的離子在兩個電極之間產(chǎn)生一個納米大小的細(xì)絲后，單元的電阻就會大幅下降。電阻的狀態(tài)可以作為“0”或者“1”而被讀取。要做刪除操作的話，電流方向反過來，然后離子遷移回頂部電極，重新提高電阻。

像NAND閃存一樣，RRAM也可以立體堆疊，通過3D立方體設(shè)計進(jìn)一步提高容量密度，這樣，在單芯片上提供1TB的存儲容量也有了可能。

美國互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心指出，互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)每兩年翻一番，目前全球90%以上的數(shù)據(jù)都是近幾年才產(chǎn)生的。據(jù)國際數(shù)據(jù)機(jī)構(gòu)IDC的調(diào)查，2013年全球產(chǎn)出的資料為4ZB，預(yù)計2020年將達(dá)到44ZB—ZB是什么單位？TB再往上數(shù)三個量級！

這種情況下，盡快尋找到能取代目前主流的DRAM與NAND的新存儲器，也成為了一個迫切需求。“我們正生活在數(shù)據(jù)驅(qū)動的時代，大數(shù)據(jù)、云存儲、可穿戴設(shè)備都需要更安全的數(shù)據(jù)支持?？焖?、可靠、低成本、低能耗對未來十年的存儲技術(shù)至關(guān)重要。”迪布瓦說。

在Crossbar公司之外，當(dāng)然也有很多公司在研發(fā)下一代的存儲技術(shù)，比如存儲巨頭美光就與索尼合作，在2015年推出了新的RRAM阻變式存儲技術(shù)。

美光在2007年就提出了RRAM的設(shè)想，此后，幾乎也每年都會透露一些進(jìn)展，但一直停留在實驗階段，并未給出具體的量產(chǎn)時間。

事實上，RRAM與閃存更是早在30年前就有過交鋒，只不過，當(dāng)時閃存占了上風(fēng)。對于阻變現(xiàn)象的研究從1960年代就開始了。但直到1980年代，RRAM一直停留在一些基礎(chǔ)的原理研究上，對新型的存儲器件的研發(fā)需求也不像現(xiàn)在這么強(qiáng)烈，以至于在1980年代末，阻變現(xiàn)象的研究一度趨于平淡。

與此同時，閃存技術(shù)卻迅速發(fā)展。1984年，東芝公司率先發(fā)明了閃存技術(shù)，英特爾在4年后向市場推出了首個閃存芯片，高速、體積小、低功耗等優(yōu)良特性，立刻淘汰了傳統(tǒng)的EPROM存儲芯片，逐漸成為首選的存儲介質(zhì)之一—在很長一段時間，閃存技術(shù)足夠用了。

市場需求的變化，總是會有助于加速新技術(shù)從研發(fā)到商用經(jīng)歷的漫長過程?，F(xiàn)在，RRAM的機(jī)會來了。

其實如果量產(chǎn)，該技術(shù)也有一些優(yōu)勢，因為它的生產(chǎn)成本較好控制。它可使用常規(guī)的CMOS工藝制造，只需稍加調(diào)整，幾乎任何現(xiàn)有晶圓廠的生產(chǎn)線都可以直接利用。而NAND閃存，尤其是3D NAND閃存技術(shù)，則需要昂貴的特殊工具，能生產(chǎn)的公司反而不多。

在不遠(yuǎn)的未來，最有可能的情況是，閃存將應(yīng)用于特定用途，比如冷存儲，也就是備份不常用到的數(shù)據(jù)。而代替現(xiàn)有閃存技術(shù)成為主流的RRAM技術(shù)，則讓存儲器廠家們又可以繼續(xù)追求更小、更強(qiáng)了。

對于消費者來說，這意味著，可以把250小時的電影裝進(jìn)郵票大小的硬盤里—聽起來很不錯。