美光科技開發的一篇關于非易失性鐵電存儲器的論文計劃在今年 12 月的國際電子器件會議上發表。

該論文的摘要稱，與傳統 DRAM 相比，堆疊式內存可以提供更快的數據移動并容納更大的神經網絡模型，同時提供能源效率。從美光的這篇題為《NVDRAM: A 32Gb Dual Layer 3D Stacked Non-Volatile Ferroelectric Memory with Near-DRAM Performance for Demanding AI Workloads》的論文中可以看到，該存儲可滿足高要求的 AI 工作負載，該論文將在專注于生成 AI 的會議會議上發表。主要作者是美光先進 DRAM 和新興內存副總裁 Nirmal Ramaswamy。

雖然近內存計算和內存處理等新穎的計算機架構是熱門的研究主題，但美光研究人員斷言，近期有機會為現有的傳統計算架構配備更高效的內存。

論文摘要聲稱這是世界上第一個雙層、高性能、32Gbit 可堆疊和非易失性鐵電存儲器技術，美光科技為該技術賦予了非易失性動態隨機存取存儲器 (NVDRAM) 的矛盾標簽。

盡管如此，該技術還顯示出除人工智能之外的各種應用的潛力。它結合了鐵電存儲單元的非易失性和高耐用性，同時超越了 NAND 閃存的保留性能，并提供類似 DRAM 的讀/寫速度。

該存儲器包括與傳統電容器一樣的5.7nm鐵電電容器，并采用傳統DRAM的1T1C架構。存儲器堆疊有雙柵多晶硅晶體管作為存取控制器件。

32Gbit NVDRAM 的掃描電子顯微照片橫截面，該 NVDRAM 具有雙堆疊 1T1C 存儲層，在 CMOS 陣列上制造。資料來源：IEDM

為了最大限度地提高存儲密度，堆疊式雙存儲層被放置在 48 納米間距的 CMOS 訪問電路之上。

由于 IEDM 是一個學術會議，因此不太可能對這種存儲器的商業引入進行任何正式討論。但對于它來說，要解決“近期機會”，它表明關于其引入的進行/不進行的決定要么已經做出，要么即將做出，可能取決于演示后的反饋。

新興存儲技術，能顛覆 DRAM 和 NAND 嗎？

除了NAND和DRAM以外，這個市場上已經出現了多種新興存儲技術，其中大多數內存技術都涉及某種非易失性內存，這些內存以一種或多種關鍵方式改進了 NAND 閃存。許多新的存儲器技術可能首先用作嵌入式存儲器，放置在具有 CMOS 邏輯的芯片上，但由于涉及單位體積，所有這些存儲器工作的圣杯是“存儲級存儲器”的開發，這需要與 NAND 閃存一樣是非易失性的，但與 DRAM 一樣快或最好比 DRAM 更快，以便兩種現有的存儲器類型都可以被一種新類型取代。

這是一項艱巨的任務，也是人們所渴望的，但尚未實現。與此同時，以下是三種新興內存技術的漫步，以及我使用這些技術的一些經驗。

一、鐵電 RAM（FeRAM、FRAM）

根據相關報告，鐵電存儲器是在 1952 年發明的。貝爾實驗室隨后于 1955 年構建了一個集成的 256 位 FRAM 陣列，作為一個沒有有源半導體元件的單片器件，三年后，杰克·基爾比 (Jack Kilby) 拼湊起來并在德州儀器 (TI) 發明了第一個集成電路。20 世紀 80 年代末，科羅拉多斯普林斯的一家名為 Ramtron 的公司完成了 FRAM 的早期商業化工作。他們寫：

“FRAM 的銷量似乎比所有其他新興內存類型的銷量總和還多。富士通在其地鐵票價卡 RFID 芯片中使用了 FRAM，迄今為止已售出超過 40 億顆此類芯片。”

FRAM 利用某些晶格的獨特物理特性。在這些鐵電材料中，原子可以占據晶格內兩個穩定位置之一。電場將晶格內的移動原子移動到兩個穩定位置之一，具體取決于電場的極性和一些物理屬性（可能是電容或電阻），具體取決于被捕獲原子的位置。

任何類型的 40 億個芯片都是很多芯片，即使它被用作地鐵票價代幣，那么為什么 FRAM 經過這么長時間、在運送了所有這些數十億個芯片之后仍然不為人知呢？半導體晶圓廠經理不太喜歡鐵電材料，因為它們含有元素周期表元素，例如鉛或鉍，很容易污染晶圓廠。因此，FRAM 作為非易失性嵌入式片上存儲器的用途有限。相關報告也指出，氧化鉿和氧化鋯也可以通過配制來表現出鐵電特性，而且這些材料已經因其他原因在晶圓廠中使用，因此 FRAM 的未來故事很可能會繼續下去。

二、電阻式 RAM（RRAM、ReRAM、憶阻器）

1971年，加州大學伯克利分校的Leon Chua寫了一篇理論論文，題為“Memristor–The Missing Circuit Element”。該論文描述了第四種基本無源電子器件——憶阻器，它根據先前流過該器件的電荷量來調節流經自身的電流。Chua并沒有建造這樣的設備。在 1971 年之前，憶阻器還只是理論上的，這是一個假設的設備，滿足了用于描述其他三種基本無源電子元件（電阻器、電容器和電感器）行為的方程中對稱性的明顯需求。憶阻器在理論上存在，但在實踐中并不存在。

近四十年后，即 2008 年，這一切都發生了變化，當時惠普實驗室宣布它已成功用二氧化鈦制造出憶阻器，并且憶阻器是可用于存儲模擬或數字數據的非二進制器件。這是一個令人振奮的消息，人們很快就預測 DRAM 即將消亡，并被電阻式存儲器或 RRAM 形式的憶阻器所取代。此外，惠普表示，它將在即將推出的名為“The Machine”的登月計算機中使用 RRAM。

到 2015 年，惠普做出了讓步，表示將在 The Machine 中使用 DRAM，而不是憶阻器。惠普推出憶阻器十五年后，RRAM 革命尚未發生，而且似乎不會很快發生，但RRAM 的時代可能已經到來——毫無疑問，很快就會到來。

三、相變存儲器 (PCM)

相變存儲器或 PCM 使用材料的一些主要物理轉變（例如晶態和非晶態之間的轉變）以及電氣特性的相關變化來存儲數據。根據其歷史，Optane 內存很可能是 PCM 的一種。Optane 的根源可以追溯到一位名叫斯坦福·奧夫辛斯基 (Stanford Ovshinsky) 的多產發明家，他花了數十年時間研究非晶半導體的特性和用途。

奧夫辛斯基 (Ovshinsky) 于 1960 年創立了能量轉換實驗室，研究非晶材料及其相變特性。該實驗室于 1964 年更名為能量轉換設備 (ECD)，奧夫辛斯基的眾多創新之一是以他自己的名字命名的 Ovonics 相變存儲器。英特爾和美光最終與 Ovshinsky 和 ECD 合作，獲得了 Ovonics 相變內存知識產權的許可，并于 2015 年大張旗鼓地發布了 3D XPoint PCM。

美光和英特爾在 3D XPoint PCM 上投入了大量精力并引起了人們的興奮，但我似乎記得該技術報告的早期問題之一是適度的熱量可能會使 PCM 存儲單元中的位直接退火，并且有數據中心服務器內部有大量可用熱量。這個熱量問題意味著 PCM 可能需要像 DRAM 一樣進行刷新。根據環境溫度的高低，刷新周期可能需要相當頻繁，大約幾秒鐘。不過，最近我沒有聽說過這個問題，所以也許它已經解決了。

尚未解決的問題是每比特的相對成本。英特爾在 Optane 存儲設備上的損失以及美光之前退出 3D XPoint 合資企業都證明，即使是英特爾和美光等主要半導體制造商也很難使 PCM 具有價格競爭力，即使他們經過了十年的研發努力。

四、磁性 RAM (MRAM)

回顧歷史顯示，第一臺使用磁存儲器的計算機是麻省理工學院旋風計算機項目，該項目于 1953 年 8 月 8 日獲得了世界上第一臺磁芯存儲器。磁芯存儲器在接下來的二十年里完全統治了計算機存儲空間。然而，英特爾在 1970 年底推出了第一款商用半導體 DRAM 1103，敲響了磁芯存儲器的喪鐘。

核心內存仍然是一種手工編織的產品，因此價格昂貴。盡管公司確實嘗試過，但它抵制了一切自動化制造的努力。他們只是失敗了。與此同時，半導體DRAM利用了大規模生產制造技術，使集成電路成為電子行業的驅動力，從光刻開始。磁芯存儲器似乎在一夜之間消失了。到 1975 年，DRAM 明顯統治了內存領域。

多年來，磁記憶一直讓技術專家著迷。從 20 世紀 70 年代末開始，英特爾、西部電氣、德州儀器、羅克韋爾、國家半導體、日立、西屋、摩托羅拉、富士通和夏普都曾嘗試將磁泡存儲器商業化，但均以失敗告終。IBM 從 2000 年代初期開始開發了 Racetrack 內存，這是氣泡內存的更新版一維版本。還沒到那兒。即使其中一種磁存儲技術取得了成功，它們也是串行存儲器，因此速度相對較慢，并且僅適用于磁盤替換，或者目前僅適用于替換基于 NAND 閃存的 SSD。

磁性 RAM（MRAM）嘗試將基于光刻的半導體生產的大規模制造技術與磁性位存儲相融合。非易失性 MRAM 現已作為 Everspin Technologies 的商業產品提供。Everspin 表示，其 MRAM 芯片已售出數百萬顆。這與 DRAM 和 NAND 閃存單位體積相差甚遠，但也并非一無是處。

然而，與 DRAM 和 NAND 閃存芯片相比，MRAM 存在兩個顯著的競爭問題：每芯片的位密度和成本。MRAM 供應商正在嘗試各種方法來克服這些競爭挑戰。最新的希望被稱為STT（自旋扭矩傳遞）MRAM。

也許四種新興存儲器（FRAM、RRAM、PCM 或 MRAM）中的一種將成為存儲級存儲器的圣杯。也許它會是其他一些存儲技術。也許類似于《星際迷航》的等線性芯片，不管它們是什么。時間會證明一切。

來源:EETOP

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