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新兴存储器,恐怕将长期生存于小众市场之内

当下,正是讨论新兴存储器技术的最好时机。数十年以来,众多厂商都在致力于取代DRAM及NAND闪存等现有存储解决方案,并借此将老牌劲旅们赶下神坛。

但是,新兴存储器真能开辟一片全新的天地吗?尽管摩尔定律正面临着严峻挑战,突破性研究也确实带来了不少令人眼前一亮的全新专利,但DRAM与NAND技术本身也在不断发展。换句话说,这些替代对象并没有停下前进的脚步。而作为后起之秀的MRAM、ReRAM、FRAM以及PCRAM虽然在汽车、工业物联网、边缘计算、传感器节点乃至AI与机器学习等全新场景中颇具热度,但却总是受到两大致命短板的约束——可靠性与使用寿命。

新兴存储器,恐怕将长期生存于小众市场之内

实际上,下一代存储器与传统技术并无区别,都需要在特定的应用领域下讨论其发展机遇。但是,为什么传统技术能够在规模较小的细分市场中仍然获得了可观的利润率?因为传统系统往往正是特定问题的最佳解决方案。

磁阻随机存取存储器(MRAM)最早诞生于上世纪八十年代,并被推广为通用型存储器。与其他存储技术不同,MRAM将数据存储为磁性元素,而非电荷或电流。在性能方面,由于使用充足的写入电流,因此MRAM的表现与SRAM基本类似。但这种对供电能力的高度依赖,也阻碍了其在高写入密度下与DRAM及闪存展开竞争的能力。

尽管Everspin等MRAM先驱已经在嵌入式应用的离散市场中取得了一定成功,甚至证明其足以满足车载应用环境提出的严苛要求,但MRAM本身无疑仍是一种小众性质的存储器方案。

同样地,电阻式随机存取存储器(ReRAM)尚未发展出可行的离散存储器产品,甚至在嵌入式市场上的应用也仍然有限。最近被Dialog Semiconductor收购的Adesto Technologies是首批通过CBRAM技术向市场推出商用ReRAM器件的厂商之一。与传统嵌入式闪存技术相比,ReRAM的主要优势包括功耗更低、处理步骤更小且额定电压更低等。此外,ReRAM还具备在太空及医疗场景下使正常工作的良好辐射耐受性。

过去二十年以来,已经有多家公司在开发ReRAM技术,但该方法仍在集成与可靠性等方面存在一定挑战。与磁阻技术一样,ReRAM供应商已经在开发嵌入式ReRAM器件方面取得一定进展,能够分摊部分开发成本。Weebit Nano与研究合作伙伴Leti联手,于2019年末宣布将加大对选择器课题的攻坚力度,努力推动离解ReRAM获得商业可行性。同时,他们还将继续探索这种存储器技术在神经形态与AI应用场景中的潜力。公司CEO Coby Hanoch此前曾在采访中表示,Weebit目前仍是一家存储器初创企业,需要首先从嵌入式产品中建立稳定的收入流,而后才可能在其他领域取得进步。

新兴存储器,恐怕将长期生存于小众市场之内

Weebit Nano公司的ReRAM技术使用两个金属层,中间则由氧化硅层隔开,因此能够使用现有生产线及材料直接制造

Weebit公司ReRAM技术的主要竞争力,在于其能够直接利用现有生产线及材料直接制造。

而作为寻求离散存储技术新方向的另一股重要力量,则是铁电存储器(FRAM),其使用铁电替代介电层以实现非易失性。虽然制造流程类似于DRAM,但FRAM的功能特性其实更接近于传统闪存。

FRAM可以说是最成功的一类新兴存储器,而且已经在嵌入式应用场景中取得不错的进展,亦有可能迎来更高的密度水平。经过约35年的发展,FRAM的非易失性与低功耗已经成为承载多种小众利基应用方案的理想特性。

例如,Cypress_Infineon就提到面向汽车与工业 应用的Excelon FRAM,其低引脚数小尺寸封装产品的存储密度高达8 Mb。Excelon系列产品在设计层面专门考虑到了自动驾驶汽车提出的高速、非易失性数据记录需求。此外,该产品也适用于医疗、可穿戴设备、物联网传感器、工业及其他高级汽车应用。凭借着功耗的显著降低、强大的数据保留性以及辐射耐受性,FRAM开始成为EEPROM与NOR闪存的一类可行替代方案,足以在植入式医疗设备中提供长达十年的稳定存储支持。

在其他领域,德国铁电存储器公司(FMC)预计未来将出现密度更高、商业可行性更强的存储级内存存储器。FMC方面正在探索氧化铪的潜力,希望借此制造出更大的晶体管,从而以经济高效的方式带来密度更高的FRAM产品。

对于一种只面向小众应用市场,但又希望成功替代DRAM与闪存的新兴技术,达成目标的一项前提就是在规模制造流程中建立起强大的成本控制能力。一旦制造成本过高,那么无论是MRAM、ReRAM、FRAM还是PCRAM,都不足以单纯依靠自身的特性优势吸引到买家。事实上,就算是较之前平面产品拥有明确优势的3D NAND,也需要经历了不断地发展之后才能在市场上真正站稳脚跟。

Optane的故事

由英特尔与美光公司共同开发的3D Xpoint相变存储器(PCRAM)可能已经迎来了发展的临界点,得以从“新兴”正式转向商用。PCRAM技术同样拥有悠久的历史,但直到最近十年,相关研究才正式转向商业化。PCRAM是一种非易失性存储器,利用硫属化物晶体的独特特性研发而成。到目前为止,真正获得商业成功的只有英特尔的Optane。而且与3D NAND一样,PCRAM也经历了发展中的多个阵痛期。

但是,事实证明3D Xpoint的制造确实更具成本效益。此外,英特尔与美光的其他芯片制造商也能够以3D Xpoint为基础构建起多种产品。德国默克公司下辖子公司Intermolecular最近就公布了关于某种新型材料组合的研究,能够建立起3D垂直形式的非易失性存储器架构,这也意味着3D Xpoint技术已经迎来第二轮迭代。

英特尔公司目前提供的Optane主要用于生产DIMM与SSD,市场定位属于存储级内存。芯片巨头似乎对于Optane只能在部分用例中(而非全部场景下)取代DRAM及闪存的现状感到满意。例如,Optane Persistent Memory 200系列以DIMM形式交付,能够以225倍于主流SSD的速度代替NAND SSD支持实时分析类应用。

英特尔公司Optane解决方案总经理Christopher Tobias表示,SSD的一大优势在于善于处理随机输入/输出负载。那时候CPU的核心数量还比较有限,虚拟化技术也才刚刚起步。随着多核心、虚拟化与软件容器技术在云端的全面兴起,如何在存储端充分支持这些计算资源的运作就成了新的挑战。

Tobias解释道,随着DRAM的发展趋近于极限,Optane有望给DRAM注入一波新的活力,并以DIMM格式服务于CPU。他解释道,“我们一直在大规模生产Optane产品,它也切实满足了市场上的部分关键需求。我们能够随时根据需求为这些虚拟核心补充内存容量,让计算资源变得更加密集。”

Tobias指出,Optane的经济性与效率水平已经足以在NAND SSD与DRAM之间为自己争得一片生存空间。具体来讲,Optane既能补充昂贵的DRAM容量,又可以满足传统SSD无法支持的严苛延迟要求。

Tobias还补充道,“大型云服务供应商显然有必要填补这部分空白。”但目前的现实障碍在于,必须在软件及架构层面加以升级,才能充分利用Optane带来的性能提升。

他强调称,“将新的芯片技术推向市场是一项极为困难的工作,其中存在大量需要克服的挑战,”例如扩大制造规模等。总之,从实验室设计原型到制造生产线的过渡,总会耗费“巨量”资源。

这一方面要求企业拥有雄厚的财力,同时也依赖于大量经验丰富的工程师。研究公司Omdia存储器高级总监Michael Yang表示,另外,愿意做出长期承诺且具有耐心的资本同样难以寻觅。除了英特尔之外,几乎没有哪家企业能够独立将一项新兴存储器技术推向终点。Yang指出,Optane“之所以能够坚持到转折点,也是因为市场需求已经客观存在。”

这部分市场并不在于取代DRAM或闪存,而是在最适合的区域内使用替代性存储器方案。Yang表示,英特尔Optane获得的成功也给其他新兴存储器制造商带来了宝贵的经验:首先寻找具有明确利润空间的技术市场,而非一味追求取代成熟的现有存储技术。“不要奢望于取代DRAM或闪存技术,这个机会窗口早在几年之前就已经永远关闭了。”

大多数MRAM公司已经存在多年,而这些不再年轻的厂商始终未能在嵌入式市场之外取得任何有意义的进展——更遑论取代DRAM或者闪存了。

虽然宣称能够取代DRAM或闪存将带来巨大的市场反响,但这种说法在工程角度来看根本不可能实现。Yang指出,大多数企业根本就不具备横扫存储器市场的潜质,但在嵌入式及低密度设备等细分市场中滋润地活下去倒是没有问题。因此,也许现在最重要的就是抛弃“新兴”标签,真正把产品做好。无论是MRAM、ReRAM还是FAM,在Yang看来都“只是存储器而已。”

过去三年以来,Thomas Coughlin与Objective Analysis一直在合作跟踪新兴存储器市场。Coughlin表示,嵌入式市场是各类新兴存储器技术的最佳发展空间。即使是独立设备,在提出低功耗要求的同时,也会对设备的存储密度做出适当妥协。他表示,“很多应用程序都能够从低容量非易失性存储器中获得重大收益。”

DRAM与NOR闪存最终都可能遇到扩展限制。一旦FRAM、MRAM与ReRAM在市场上站稳脚跟,将很快在嵌入式应用领域迎来属于自己的发展机遇。

不管名称本身是否恰当,MRAM与ReRAM仍然代表着新兴的存储器形式。而在Coughlin看来,Optane的重要意义在于,英特尔借此证明了新兴存储器技术确实有可能迈过盈亏平衡点。他表示,客户也开始意识到自己对于高速、廉价存储器(例如DRAM)的迫切需求。从这个角度来看,新兴存储器“代表一种廉价的内存扩展方向,有望带来成本更低的内存密集型应用方案。”

Yang还提到,虽然Optane可能拥有高达10亿美元的总体价值,但其真正适合的也只有实时分析等少部分工作负载。在此之外,其他存储器制造商完全可以把握住规模更小、但同样足以支撑起健康业务的市场空间。

他总结道,“我们生活的绝不是非黑即白的二元世界。即使市场规模只有3000万美元,也足以支撑起一家成功的企业。这只是成功这一概念的不同表现方式。”

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