解決大數據瓶頸的三種新型的內存技術

現狀

計算性能正在以數據訪問技術無法比擬的速度增長。DRAM非常適合內存處理,但容量也有限,且本質是易失的。SSD可以擴展到大規模部署,每GB的成本要低得多。他們只是沒有實時事務操作的性能。DRAM的容量不足以解決當今的實時數據分析問題,而傳統存儲的速度並不足夠快。

解決大數據瓶頸的三種新型的內存技術

新內存技術

納米隨機存儲器(NRAM):是Nantero公司的一種非易失性存儲器技術。其原理主要是在一個片狀基層上分佈碳納米管。具有DRAM級的性能和驚人的數據保留能力。與DDR協議的兼容性意味著我們可能會看到配備NRAM的DIMM能夠插入內存插槽。

相變存儲器(PCM):相變存儲器通常是利用硫族化合物在晶態和非晶態巨大的導電性差異來存儲數據的一種信息存儲裝置。與當今的NAND閃存類似,相變存儲器是非易失性的。具有更好的寫入性能,出色的耐久性和更低的功耗的潛力。

鐵電存儲器(FRAM):鐵電存儲器是一種特殊工藝的非易失性的存儲器。是採用人工合成的鉛鋯鈦(PZT) 材料形成存儲器結晶體。它將動態隨機存取存儲器(DRAM)的快速讀取和寫入訪問。儘管它的密度很低,但在數據持久性、低功耗和幾乎無限寫持久性的應用中,它是SRAM的一個可行替代品。

納米管RAM瞄準DRAM

由Nantero開發的NRAN由碳納米管(CNT)存儲單元組成,碳納米管是人類所知的具有最大拉伸強度的材料之一,並有獨特的結構和電性能,提供了理想的新一代超快速、超高密度和極低能耗存儲器。

Nantero 的 NRAM 速度可以與 DRAM 相媲美,但是密度高於 DRAM,其非易失性又和閃存一樣出色,在待機模式下功耗幾乎為零,每位元的寫入能量比閃存低 160 倍,並且對環境因素(甚至達到攝氏 300 度的高溫、寒冷、磁性、輻射、振動)有高耐受性。

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上圖:CNT存儲單元的SET和RESET狀態由對應於1和0的高阻和低阻定義

NRAM 作為一種電阻式非易失性隨機存儲器 NVRAM,根據 CNT 纖維的阻力狀態可以放置在兩種或以上電阻模式。 當 CNT 沒有接觸時,纖維的電阻狀態高並顯示“0”狀態(見圖)。 當 CNT 接觸時,纖維的電阻狀態低並顯示“1”狀態。

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相變存儲器:Optane可能證明這一點有效

相變存儲器(PCM)是一種非易失存儲設備,它利用材料的可逆轉的相變來存儲信息。同一物質可以在諸如固體、液體、氣體、冷凝物和等離子體等狀態下存在,這些狀態都稱為相。相變存儲器便是利用特殊材料在不同相間的電阻差異進行工作的。相變存儲器材料具有存取速度快和可靠性高等優點,有比其他存儲器更廣闊的應用空間和更好的發展趨勢,有望替代目前被公眾熟知的傳統存儲技術。

兩年的行業分析表明,Optane是一種相變存儲器(PCM)。Optane 採用獨特的架構,該架構由堆疊在密集的三維矩陣中的可單獨尋址的存儲單元組成。英特爾提供的Optane DC PMMs擁有比傳統DRAM更高的容量,這個介於SSD和DRAM之間的新層級對於數據中心有很大的好處。

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與閃存相比,PCM提供了更好的寫入性能。該技術還應提供更高的耐用性,更低的功耗和更快的訪問時間,這些都是為需要大量數據的計算引擎提供的所有理想屬性。 阿布·塞巴斯蒂安(Abu Sebastian)和他在IBM Research的團隊正在探索僅使用一種化學元素 -銻來製造更小,更緻密,更高效的PCM。儘管他們仍在努力使材料在室溫下不會快速結晶,但研究人員認為他們可以增加其保留時間。如果他們成功了,那麼確保材料的一致性會變得更加容易,從而有可能提高耐久性。

FRAM填補了重要位置

FRAM利用鐵電晶體的鐵電效應實現數據存儲,當一個電場被施加到鐵晶體管時,中心原子順著電場停在低能量狀態I位置,反之,當電場反轉被施加到同一鐵晶體管時,中心原子順著電場的方向在晶體裡移動並停在另一低能量狀態II。大量中心原子在晶體單胞中移動耦合形成鐵電疇,鐵電疇在電場作用下形成極化電荷。鐵電疇在電場下反轉所形成的極化電荷較高,鐵電疇在電場下無反轉所形成的極化電荷較低,這種鐵電材料的二元穩定狀態使得鐵電可以作為存儲器。

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FRAM的特點是速度快,能夠像RAM一樣操作,讀寫功耗極低,不存在如E2PROM的最大寫入次數的問題。但受鐵電晶體特性制約,FRAM仍有最大訪問(讀)次數的限制。 總之,FRAM產品提供了可使用的存儲器的一種新選擇,在原來使用E2PROM的應用中表現會更出色,為某些原來認為需要使用SRAM和E2PROM的應用系統找到一種新的途徑。

總結

分析師Mark Webb認為,DRAM將在未來五年內繼續擴展。但是,它的速度正在放緩,而DRAM易失的事實為數據丟失打開了大門。傳統的存儲層次結構正在失去跟上時代的戰鬥力。因此,現在是從業者和投資者熟悉新興內存技術的時候了,這些技術旨在使更多信息更接近處理分析、人工智能和其他數據驅動應用程序。


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