摘 要：眾所周知，在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中，內(nèi)存架構(gòu)是層級(jí)制的。從片上的寄存器內(nèi)存-高速緩存（cache），到片外的主存（DRAM），以及磁盤(pán)（disk）。不同的計(jì)算機(jī)硬件廠商可能在具體的等級(jí)劃分?jǐn)?shù)目上有所不同，但大體結(jié)構(gòu)并無(wú)二致。由于存在寄存器內(nèi)存-高速緩存-主存-硬盤(pán)存儲(chǔ)器這樣的從上到下的層級(jí)結(jié)構(gòu)，越往下存儲(chǔ)容量越大，價(jià)格更低，但是存取速度也越慢。更高密度、更大帶寬、更低功耗、更短延遲時(shí)問(wèn)、更低成本和更高可靠性是存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)和制造者追求的永恒目標(biāo)。根據(jù)這一目標(biāo)，人們研究各種存儲(chǔ)技術(shù)，以滿足應(yīng)用的需求。本文對(duì)目前幾種比較有競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展?jié)摿Φ男滦痛鎯?chǔ)介質(zhì)做了一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。

關(guān)鍵詞：存儲(chǔ)介質(zhì)；新型

由于CPU芯片大小的固有限制，寄存器內(nèi)存不能太大，一般只有幾十KB到幾百KB的存儲(chǔ)容量。所以，一個(gè)更好地改造目標(biāo)是DRAM，近年來(lái)隨著技術(shù)的進(jìn)步和成熟，DRAM已經(jīng)從從2GB發(fā)展到如今的8GB，16GB甚至更高，且速度性能也在不斷提升。但是，隨著近些年內(nèi)存計(jì)算技術(shù)的興起，越來(lái)越多的應(yīng)用需要將更多數(shù)據(jù)放入內(nèi)存中進(jìn)行操作，內(nèi)存空間就成為了一個(gè)不可忽視的瓶頸。如何能夠在保證訪問(wèn)速度的情況下，提升內(nèi)存存儲(chǔ)空間成為了一個(gè)極具挑戰(zhàn)力的課題。

1scm介質(zhì)

SCM（Storage Class Memory）是當(dāng)前業(yè)界非常熱門(mén)的新介質(zhì)形態(tài)，同時(shí)具備持久化和快速字節(jié)級(jí)訪問(wèn)的特點(diǎn)。SCM介質(zhì)的訪問(wèn)時(shí)延普遍小于1μs，沒(méi)有NAND Flash順序?qū)懭牒蛯?xiě)前擦除的約束，操作過(guò)程更簡(jiǎn)單；SCM介質(zhì)的在壽命和數(shù)據(jù)保持能力方面的表現(xiàn)也遠(yuǎn)超NAND Flash?；谶@些特點(diǎn)，業(yè)界普遍認(rèn)為SCM會(huì)成為顛覆存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新一代介質(zhì)，并優(yōu)先應(yīng)用于性能和可靠性要求較高的場(chǎng)景。

1.1 PCM相變存儲(chǔ)器

相變存儲(chǔ)器，是指利用特殊合金材料在晶態(tài)和非晶態(tài)下的導(dǎo)電性差異來(lái)表示0或者1的狀態(tài)。

缺點(diǎn)是對(duì)于高溫比較敏感，PCM可用于Cache加速場(chǎng)景和大內(nèi)存應(yīng)用場(chǎng)景，由于其壽命和內(nèi)存仍有一定差距，因此需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上針對(duì)PCM進(jìn)行優(yōu)化以避免“寫(xiě)穿”。但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)大容量和低成本。

主要用于Cache加速和Cache內(nèi)存應(yīng)用，考慮到PRAM的成熟度、對(duì)熱度敏感和寫(xiě)穿透等因素，在應(yīng)用中一般搭配DRAM或SRAM一起使用，在填補(bǔ)RAM和Storage之間的性能、容量差距的同時(shí)，形成具有分級(jí)能力的高速Cache應(yīng)用資源池；其典型代表為Intel和Micron聯(lián)合研發(fā)的Intel的3D Xpoint。

1.2 ReRAM阻抗隨機(jī)存儲(chǔ)器

阻抗隨機(jī)存儲(chǔ)器，是通過(guò)在上下電極間施加不同的電壓，控制Cell（存儲(chǔ)單元）內(nèi)部導(dǎo)電絲的形成和熔斷對(duì)外呈現(xiàn)不同的阻抗值。

它的讀寫(xiě)壽命和性能都較低，但優(yōu)點(diǎn)是它的不同阻抗值可以表示不同狀態(tài)，理論容量密度和成本可以最優(yōu)。

主要應(yīng)用于高速的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)場(chǎng)景。典型代表廠商為HPE和Crossbar，目前成熟度有待加強(qiáng)。

1.3 MRAM磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器

磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器，是通過(guò)電流磁場(chǎng)改變電子自旋方向來(lái)表示不同狀態(tài)。

它的缺點(diǎn)很明顯，工藝成熟度低，實(shí)際產(chǎn)品容量密度也較小。但它的理論性能和壽命都很高，當(dāng)前理論研究較為成熟。

適用于貼近CPU側(cè)的高速緩存（如L2 Cache，LLCache），代表廠商為T(mén)oshiba和Everspin。

1.4 NRAM碳納米管隨機(jī)存儲(chǔ)器

碳納米管隨機(jī)存儲(chǔ)器，是采用碳納米管作為開(kāi)關(guān)，控制電路通斷表示不同的數(shù)據(jù)狀態(tài)。

它的缺點(diǎn)是工藝成熟度低，實(shí)際產(chǎn)品容量密度較小，但由于碳納米管尺寸非常小并且具備極強(qiáng)的韌性，因此NRAM理論制程可以達(dá)到5nm以下，密度和壽命及其優(yōu)秀，理論功耗也比較低，具有極強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

可用于替代SRAM（Static random-access memory or StaticRAM）的應(yīng)用場(chǎng)景。當(dāng)前由Nantero授權(quán)其他存儲(chǔ)芯片廠商加工，成熟度比較低，距離規(guī)模商用仍需很長(zhǎng)的發(fā)展歷程。

2非易失存儲(chǔ)器（NVM）

非易失性存儲(chǔ)器是指當(dāng)電流關(guān)掉后，所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不會(huì)消失者的電腦存儲(chǔ)器。非易失性存儲(chǔ)器中，依存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)是否能在使用電腦時(shí)隨時(shí)改寫(xiě)為標(biāo)準(zhǔn)。分為二大類產(chǎn)品，即ROM和Flash memory。當(dāng)然，NVM并不是指某種特定的硬件介質(zhì)內(nèi)存，而是針對(duì)具有非易失特性的內(nèi)存的統(tǒng)稱。目前有幾種比較具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦头且资源鎯?chǔ)器。

2.1 鐵電存儲(chǔ)器（FeRAM）

鐵電存儲(chǔ)器是一種在斷電時(shí)不會(huì)丟失內(nèi)容的非易失存儲(chǔ)器，具有高速、高密度、低功耗和抗輻射等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前應(yīng)用于存儲(chǔ)器的鐵電材料主要有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)系列。鐵電存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)原理是基于鐵電材料的高介電常數(shù)和鐵電極化特性，按工作模式可以分為破壞性讀出（DRO）和非破壞性讀出（NDRO）。

NDRO模式存儲(chǔ)器以鐵電薄膜來(lái)替代MOSFET中的柵極二氧化硅層，通過(guò)柵極極化狀態(tài)（±Pr）實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)自源-漏電流的調(diào)制，使它明顯增大或減小，根據(jù)源-漏電流的相對(duì)大小即可讀出所存儲(chǔ)的信息，而無(wú)需使柵極的極化狀態(tài)反轉(zhuǎn)，因此它的讀出方式是非破壞性的。這是一種比較理想的存儲(chǔ)方式。但這種鐵電存儲(chǔ)器尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，還不能達(dá)到實(shí)用程度。

2.2 磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）

從原理上講，MRAM的設(shè)計(jì)是非常誘人的，它通過(guò)控制鐵磁體中的電子旋轉(zhuǎn)方向來(lái)達(dá)到改變讀取電流大小的目的，從而使其具備二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。它擁有靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）的高速讀取寫(xiě)入能力，以及動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以無(wú)限次地重復(fù)寫(xiě)入。

寫(xiě)入操作通過(guò)磁隧道結(jié)中自由層的磁化翻轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。早期的MRAM直接采用磁場(chǎng)寫(xiě)入方式，這種寫(xiě)入方式要求位線（或字線）產(chǎn)生的磁場(chǎng)足夠大以至于能夠有效地減小字線方向上的矯頑場(chǎng)，但同時(shí)也要足夠小以避免同一條位線上的其余磁隧道結(jié)被誤寫(xiě)入，由于工藝偏差的存在，所允許寫(xiě)入的磁場(chǎng)范圍非常有限。

2.3 相變存儲(chǔ)器（OUM）

奧弗辛斯基首次描述了基于相變理論的存儲(chǔ)器：材料由非晶體狀態(tài)變成晶體，再變回非晶體的過(guò)程中，其非晶體和晶體狀態(tài)呈現(xiàn)不同的反光特性和電阻特性，因此可以利用非晶態(tài)和晶態(tài)分別代表“0”和“1”來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。這一學(xué)說(shuō)稱為奧弗辛斯基電子效應(yīng)。相變存儲(chǔ)器是基于奧弗辛斯基效應(yīng)的元件。

從理論上來(lái)說(shuō)，OUM的優(yōu)點(diǎn)在于產(chǎn)品體積較小、成本低、可直接寫(xiě)入（即在寫(xiě)入資料時(shí)不需要將原有資料抹除）和制造簡(jiǎn)單，只需在現(xiàn)有的CMOS工藝上增加2～4次掩膜工序就能制造出來(lái)。但OUM的讀寫(xiě)速度和次數(shù)不如 FeRAM 和MRAM，同時(shí)如何穩(wěn)定維持其驅(qū)動(dòng)溫度也是一個(gè)技術(shù)難題。OUM的存儲(chǔ)單元雖小，但需要的外圍電路面積較大，因此芯片面積反而是OUM的一個(gè)頭疼問(wèn)題。同時(shí)從目前來(lái)看，OUM的生產(chǎn)成本比Intel預(yù)想的要高得多，也成為阻礙其發(fā)展的瓶頸之一。

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作者簡(jiǎn)介

靳蘊(yùn)瑤（1998-），女，山西省長(zhǎng)治市人，漢，職稱，無(wú)，學(xué)歷：在讀本科，研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)，單位：四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系。

（作者單位：四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系）