存儲器是現代信息系統的關鍵組件之一，已經形成了一個主要由DRAM與NAND Flash組成的超過1600億美元的市場。同時，新型存儲開始逐步邁向產業化，將有可能重塑未來存儲市場格局。我國正在大力發展存儲產業，提前佈局新型存儲將是建立未來存儲產業生態的重要部分。
新型存儲主要指相變、磁變、阻變存儲
目前，受到廣泛關注的新型存儲器主要有3種：相變存儲器(PCM)，以英特爾與美光聯合研發的3D Xpoint為代表;磁變存儲器(MRAM)，以美國Everspin公司推出的STT-MRAM為代表;阻變存儲器(ReRAM)，目前暫無商用產品，代表公司有美國Crossbar。
事實上，上述新型存儲器已經被研究了數十年，只是相對於早已產業化的SRAM、DRAM、和NAND Flash，還未能大規模商用。存儲產業未來的技術發展方向仍是未知數。
新型存儲核心是解決“存儲牆”問題
“存儲牆”問題來源於當前計算架構中的多級存儲，隨著處理器性能的不斷提升，這一問題已經成為制約計算系統性能的主要因素。當前主流的計算系統，從大型服務器集群、PC、再到智能手機，無一例外地都採用馮諾依曼架構，其特點在於程序存儲於存儲器中，與運算控制單元相分離。為了滿足速度和容量的需求，現代計算系統通常採取高速緩存(SRAM)、主存(DRAM)、外部存儲(NAND Flash)的三級存儲結構，如圖所示。越靠近運算單元的存儲器速度越快，但受功耗、散熱、芯片面積的制約，其相應的容量也越小。SRAM響應時間通常在納秒級，DRAM則一般為100納秒量級，NAND Flash更是高達100微秒級，當數據在這三級存儲間傳輸時，後級的響應時間及傳輸帶寬都將拖累整體的性能，形成“存儲牆”。
圖 常見的存儲系統架構及存儲牆
由於DRAM和NAND Flash本身物理特性的限制，單純依靠改良現有的存儲器很難突破“存儲牆”。因此，新型存儲開始受到廣泛關注，其特點在於同時具備DRAM的讀寫速率與壽命以及NAND Flash的非易失特性。這使得新型存儲理論上可以簡化存儲架構將當前的內存和外存合併為持久內存，從而有望消除或縮小內存與外存間的“存儲牆”。
此外，一些新的應用也開始嘗試使用新型存儲，例如存內計算(PIM)。這是一種將邏輯運算單元直接嵌入內存中的非馮諾依曼架構，理論上能夠完全消除“存儲牆”問題，在深度學習應用中優勢明顯。國外已經有使用MRAM、ReRAM作為存內計算存儲單元的實驗報道。
主流新型存儲的產業現狀
當前的3種新型存儲均處於起步階段，PCM發展最快。由於英特爾的主推，PCM商業化進程最快，已經有傲騰H系列混合固態盤、以及傲騰M系列持久內存兩款主要面向數據中心的商用產品，與英特爾自身的處理器配套形成一套完整的數據密集型應用解決方案。MRAM方面，Everspin已經有產品應用於航空航天等特定領域，並於2019年開始與格芯合作，試生產28nm製程的1Gb STT-MRAM產品。ReRAM仍然尚未商用，初創公司如Crossbar正致力於其產業化進程。
當前的新型存儲尚不具備替代DRAM或NAND閃存的能力，市場主要集中於低延遲存儲與持久內存。分別比較3種存儲的介質特性，如下表所示。
表 新型存儲及傳統存儲特性對比
MRAM具有最好的讀寫速率和使用壽命，從理論上有機會替代現有內存和外存，但是由於涉及量子隧穿效應，大規模製造難以保證均一性，存儲容量和良率爬坡緩慢。在工藝取得進一步突破之前，MRAM的產品主要適用於容量要求低的特殊應用領域以及新興的IoT嵌入式存儲領域。
PCM在讀寫速率以及使用壽命上都難以替代DRAM，但是已經大幅優於NAND Flash。當前產品的主要問題在於存儲密度過低，在容量上無法替代NAND Flash。從英特爾3D Xpoint的持續虧損來看，其成本和良率也是瓶頸之一。當前PCM產品主要用作持久內存以及低延遲存儲中的SSD緩存。
ReRAM在工藝上與CMOS完全兼容，能夠較容易擴展至先進工藝節點。但是由於存儲介質中的導電通道具有隨機性，在二進制存儲中難以保證大規模陣列的均一性。也正因為這一特點，普遍認為ReRAM在神經網絡計算中具有獨特的優勢。未來ReRAM相關產品有機會在特定算法的加速芯片領域應用。
我國發展新型存儲的挑戰與機遇
我國新型存儲產業化能力及知識產權佈局實際已經大幅落後。相變存儲器和阻變存儲器的專利從2000年左右開始逐漸增加，磁變存儲器更是從1990年就開始有專利申請。英特爾在2015年發佈3D Xpoint，實際上已經經歷了十餘年的發展。我國目前尚處於科學研究階段，如果想要發展產業勢必會遇到和發展DRAM、NAND Flash相同的知識產權問題。
我國缺乏像英特爾、三星、東芝這樣的巨頭作為新型存儲的產業主體。這些企業一方面已經在存儲領域深耕數十年，有豐富的技術積累、人才積累、以及產業經驗;另一方面，又有強大的資金支持，擁有高額的利潤用於研發。我國在新型存儲領域的研發仍主要依靠科研經費和專項補貼，缺乏對應的產業化經驗。
新型存儲產業尚未成熟，機遇大於挑戰。產業格局上，相對於傳統的DRAM和NAND Flash，新型存儲尚未形成行業壟斷，產品路線也不夠明朗，我國在這一領域具有換道超車的可能。技術上，未來存儲技術路線尚不明確，存在技術追趕甚至反超的機遇。市場上，隨著我國在5G、人工智能等新興領域的快速發展，存儲需求呈現爆發式增長，有足夠廣闊的新型存儲潛在市場。
意見建議
一是以市場為導向，以產業為主體，結合已有研發團隊，快速推進新型存儲產業化。要擺脫新型存儲研究停留在實驗室的困境，跟隨市場需求，從產業化的角度指導投資建設，培育專業人才。設立產業專項，整合國內各研究機構已有研發團隊，通力合作，突破技術難題。
二是避免盲目上規模。在當前新型存儲產業格局尚未明朗的情況下，技術存在較大不確定性，且存儲項目一般投資金額大，在缺乏明確客戶情況下，企業運營壓力巨大，大規模生產風險極高。應儘量以中試線等小規模建設為主，穩紮穩打，逐步解決產業化過程中技術、成本、客戶等關鍵問題。
三是產業上下游協同發展。鼓勵整機、CPU、存儲企業主體聯合參與，推動新型存儲產業鏈快速成型。借鑑英特爾計算、存儲、新型存儲形成完整解決方案的形式，多家企業聯合攻關，形成系統配套方案。
作者黃陽棋博士供職於賽迪智庫集成電路所、朱邵歆博士系賽迪智庫集成電路所副所長
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