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1、龍?jiān)雌诳W(wǎng) 新型存儲介質(zhì)作者:靳蘊(yùn)瑤來源:世界家苑2018年第08期 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(disk)。不同的計(jì)算機(jī)硬件廠商可能在具體的等級劃分?jǐn)?shù)目上有所不同,但大體結(jié)構(gòu)并無二致。由于存在寄存器內(nèi)存-高速緩存-主存-硬盤存儲器這樣的從上到下的層級結(jié)構(gòu),越往下存儲容量越大,價格更低,但是存取速度也越慢。更高密度、更大帶寬、更低功耗、更短延遲時問、更低成本和更高可靠性是存儲器設(shè)計(jì)和制造
2、者追求的永恒目標(biāo)。根據(jù)這一目標(biāo),人們研究各種存儲技術(shù),以滿足應(yīng)用的需求。本文對目前幾種比較有競爭力和發(fā)展?jié)摿Φ男滦痛鎯橘|(zhì)做了一個簡單的介紹。 關(guān)鍵詞:存儲介質(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的存儲容量。所以,一個更好地改造目標(biāo)是DRAM,近年來隨著技術(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
3、著近些年內(nèi)存計(jì)算技術(shù)的興起,越來越多的應(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不可忽視的瓶頸。如何能夠在保證訪問速度的情況下,提升內(nèi)存存儲空間成為了一個極具挑戰(zhàn)力的課題。 1scm介質(zhì) SCM(Storage Class Memory)是當(dāng)前業(yè)界非常熱門的新介質(zhì)形態(tài),同時具備持久化和快速字節(jié)級訪問的特點(diǎn)。SCM介質(zhì)的訪問時延普遍小于1s,沒有NAND Flash順序?qū)懭牒蛯懬安脸募s束,操作
4、過程更簡單;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。基于這些特點(diǎn),業(yè)界普遍認(rèn)為SCM會成為顛覆存儲系統(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景。 1.1 PCM相變存儲器 相變存儲器,是指利用特殊合金材料在晶態(tài)和非晶態(tài)下的導(dǎo)電性差異來表示0或者1的狀態(tài)。 缺點(diǎn)是對于高溫比
5、較敏感,PCM可用于Cache加速場景和大內(nèi)存應(yīng)用場景,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PCM進(jìn)行優(yōu)化以避免“寫穿”。但結(jié)構(gòu)簡單,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、對熱度敏感和寫穿透等因素,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,形成具有分級能力的高速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。
6、 1.2 ReRAM阻抗隨機(jī)存儲器 阻抗隨機(jī)存儲器,是通過在上下電極間施加不同的電壓,控制Cell(存儲單元)內(nèi)部導(dǎo)電絲的形成和熔斷對外呈現(xiàn)不同的阻抗值。 它的讀寫壽命和性能都較低,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)。
7、0; 主要應(yīng)用于高速的數(shù)據(jù)存儲場景。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)存儲器 磁性隨機(jī)存儲器,是通過電流磁場改變電子自旋方向來表示不同狀態(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。
8、; 適用于貼近CPU側(cè)的高速緩存(如L2 Cache,LLCache),代表廠商為Toshiba和Everspin。 1.4 NRAM碳納米管隨機(jī)存儲器 碳納米管隨機(jī)存儲器,是采用碳納米管作為開關(guān),控制電路通斷表示不同的數(shù)據(jù)狀態(tài)。 它的
9、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?#160; 可用于替代SRAM(Static random-access memory or StaticRAM)的應(yīng)用場景。當(dāng)前由Nantero授權(quán)其他存儲芯片廠商加工,成熟度比較低,距離規(guī)模商用仍需很長的發(fā)展歷程。 2非易失存儲器(N
10、VM) 非易失性存儲器是指當(dāng)電流關(guān)掉后,所存儲的數(shù)據(jù)不會消失者的電腦存儲器。非易失性存儲器中,依存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)是否能在使用電腦時隨時改寫為標(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ζ鳌?#160; 2.1 鐵電存儲器(FeRAM)
11、60; 鐵電存儲器是一種在斷電時不會丟失內(nèi)容的非易失存儲器,具有高速、高密度、低功耗和抗輻射等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前應(yīng)用于存儲器的鐵電材料主要有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)系列。鐵電存儲器的存儲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模式存儲器以鐵電薄膜來替代MOSFET中的柵極二氧化硅層,通過柵極極化狀態(tài)(±Pr)實(shí)現(xiàn)對來自源-漏電流的調(diào)制,使它明顯增大或減小,根據(jù)源-漏電流的相對大小即可讀出所存儲的信息
12、,而無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方式。但這種鐵電存儲器尚處于實(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)存儲器(MRAM) 從原理上講,MRAM的設(shè)計(jì)是非常誘人的,它通過控制鐵磁體中的電子旋轉(zhuǎn)方向來達(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)存儲能力。它擁有靜態(tài)隨機(jī)存儲器(SRAM)的高速讀取寫入能力,以及動態(tài)隨機(jī)存儲器(DRAM)的高集成度,
13、而且基本上可以無限次地重復(fù)寫入。 寫入操作通過磁隧道結(jié)中自由層的磁化翻轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)。早期的MRAM直接采用磁場寫入方式,這種寫入方式要求位線(或字線)產(chǎn)生的磁場足夠大以至于能夠有效地減小字線方向上的矯頑場,但同時也要足夠小以避免同一條位線上的其余磁隧道結(jié)被誤寫入,由于工藝偏差的存在,所允許寫入的磁場范圍非常有限。 2.3 相變存儲器(OUM)
14、 奧弗辛斯基首次描述了基于相變理論的存儲器:材料由非晶體狀態(tài)變成晶體,再變回非晶體的過程中,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”來存儲數(shù)據(jù)。這一學(xué)說稱為奧弗辛斯基電子效應(yīng)。相變存儲器是基于奧弗辛斯基效應(yīng)的元件。 從理論上來說,OUM的優(yōu)點(diǎn)在于產(chǎn)品體積較小、成本低、可直接寫入(即在寫入資料時不需要將原有資料抹除)和制造簡單,只需在現(xiàn)有的CMOS工藝上增加24次掩膜工序就能制造出來。但OUM的讀寫速度和次數(shù)不如 FeRAM 和
15、MRAM,同時如何穩(wěn)定維持其驅(qū)動溫度也是一個技術(shù)難題。OUM的存儲單元雖小,但需要的外圍電路面積較大,因此芯片面積反而是OUM的一個頭疼問題。同時從目前來看,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。 參考文獻(xiàn) 1嚴(yán)華兵 存儲與數(shù)據(jù)技術(shù) 2梁日泉 基于STT-MRAM的高速cache設(shè)計(jì)
16、與實(shí)現(xiàn)D.西安電子科技大學(xué),2016. 3趙巍勝,王昭昊,彭守仲,王樂知,常亮,張有光.STT-MRAM存儲器的研究進(jìn)展J.中國科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué),2016,46(10):70-90. 4T.P.Ma and Jin-PINg Han,Why is Nonvolatile FerroeleCTRIC Memory FiELD-Effect Transistor Still Elusive? IEEE Electron Device Letters 2002 5Linda Geppert,The New Indelible Memories,IEEE
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