產業丨未來的變遷:PCM和MRAM將在獨立存儲器中處於領先

2020-12-05 騰訊網

·聚焦:人工智慧、晶片等行業

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前言：

實現硬體方面的復興，才能充分挖掘人工智慧時代的潛力。在性能、功耗和密度（面積/成本）方面得到顯著改善的新興存儲可以滿足邊緣計算、近邊緣和雲計算的需求。

作者| 方文

圖片來源 |網 絡

預計在接下來的十年中，兩種新興的非易失性存儲器類型（PCM和MRAM）將在獨立存儲器中處於領先地位。

傳統存儲晶片到達技術節點

存儲器產業如今形成了DRAM晶片、NADA Flash晶片、特殊存儲器三個相對獨立的市場。

然而，隨著摩爾定律的延伸，技術需求也越來越高，傳統存儲晶片的弊端也逐漸開始顯現。

隨著晶片技術節點接近其物理極限，電容器中電子數量的減少，使DRAM存儲器更容易受到外部電荷的影響；Flash在工作時面臨嚴重的串擾問題，從而縮短其使用壽命；SRAM在信噪比和軟故障方面也存在問題。

此外，當晶片製程小於28nm時，這些問題會變得更加嚴重。

AI時代結構設計的變化影響了邏輯和存儲。機器學習算法大量使用了矩陣乘法運算，而這些運算在通用邏輯中十分繁瑣，這推動了加速器及存儲器的發展。

性能和功耗在雲計算和邊緣計算應用場景中，SRAM和DRAM作為「工作內存」的一個主要缺點是，它們是易失的，需要持續供電來保存數據（比如權重）。

主要的新存儲器候選是磁性隨機存取存儲器（MRAM）、相變存儲器（PCRAM）。

這兩種存儲器都採用了新的材料，可以被設計成高電阻率和低電阻率，而高電阻率和低電阻率又分別代表0和1。

MRAM通過改變磁性方向來控制電阻率；PCRAM利用材料從無定形到結晶的排列變化。

PCRAM：雲計算架構的主要候選者

因為PCRAM比DRAM提供更低的功耗和成本，並且比固態硬碟和硬碟驅動器具有更高的性能。

PCRAM甚至是鐵電場效應電晶體（FeFETs）都是很好的選擇，因為它們都有實現每單元存儲多bit的潛力。

近年來，非易失性存儲技術在許多方面都取得了一些重大進展，為計算機系統的存儲能效提升帶來了新的契機，採用新型非易失性存儲技術來替代傳統的存儲技術可以適應計算機技術發展對高存儲能效的需求。

PCRAM像所有新興存儲器一樣，但是如果是和看好MRAM(磁性隨機存儲器)的人討論，當然會說MRAM適用於各種用途，而PCRAM則否，反之亦然。

與商業化程度更高的MRAM相比，PCRAM擴展的潛力是其最吸引人的特點之一。MRAM中存儲單元的面積大約是PCRAM中的10倍。

這意味著相同字節大小的情況下，前者的單元數量要少得多，因此MRAM的可擴展性非常值得懷疑。

雖然 PCM 存儲器技術看似即將成熟，但到普及恐怕還需要一點時間，但為了因應新興科技的發展，高速儲存裝置仍然是不可或缺的技術，也是市場關注焦點。

目前，國際上僅有三星、英特爾等推出了相關產品，但多為非嵌入式相變存儲器產品。

今年8月時代全芯發布了基於相變材料的2兆位可編程只讀相變存儲器產品「溥元611」。

這是國內首款商業化量產的相變存儲產品，其發布標誌著AMT已成為全球繼美光、三星之後少數幾個掌握相變存儲器研發、生產工藝和自主智慧財產權的公司。

MRAM在邊緣展現出優勢

作為一種替代方案，MRAM承諾將使電晶體密度提高數倍，從而實現更高的存儲密度或更小的晶片尺寸。

MRAM的另一個關鍵特性是它可以被設計成嵌入式系統晶片產品的後端互連層。MRAM可用於存儲SOC的作業系統和應用程式，從而消除了為此目的而使用嵌入式快閃記憶體晶片的需要，從而降低了系統晶片總數和成本。

高性能的「近邊緣」應用場景，如缺陷檢測和醫學篩選，需要更高的性能。一種被稱為自旋軌道轉矩MRAM （SOT-MRAM）的MRAM變體可能被證明比自旋轉矩轉移MRAM （STT-MRAM）更快、更低功耗。

如今的邊緣設備主要使用的是SRAM存儲器，這種存儲器每個cell最多可使用6個電晶體，而且可能會受到高有源漏電功率的影響，從而影響效率。

作為一種替代方案，MRAM可以將使電晶體密度提高數倍，從而實現更高的存儲密度或更小的晶片尺寸。

更大的容量，更緊湊的晶片，更低的功耗，聽起來像是所有處於邊緣處理器的勝利。

這接近於SRAM所「吹噓」的性能，使得MRAM成為當今幾乎所有易失性存儲器的有吸引力的替代品。

與傳統的DRAM和快閃記憶體相比，MRAM的一個明顯差距在其容量方面。如Everspin最近發布了一個32Mb的設備。

但相比之下，最大的每單元4位的NAND部件提供了4Tb的密度。但MRAM更有理由在物聯網和工業應用領域脫穎而出，因為其性能、持久性和無限的續航能力足以彌補其容量的不足。

這樣的可能性使我們可以預見到未來有望出現新型的、功能大大提升的單晶片系統這一美好前景。

當前的計算架構下MRAM不會成為主流

在當前的計算架構下，邏輯和存儲處於分離狀態，現有的電晶體技術已經能夠實現幾個納米製程，包含數十億個電晶體的邏輯電路，同時現有的存儲能夠以足夠低的成本做到TB量級。

在邏輯或者存儲方面，自旋晶片都無法替代現有的主流晶片，只能應用於某些特定需求的領域。

儘管有些人已經發現嵌入式技術在商業上取得了一定程度的成功，但它們也落後於離散存儲器的高性價比替代方案。儘管具有更高的性能，耐用性和保留性，或者降低了功耗。

儘管MRAM已經在離散應用的嵌入式市場中取得了一些成功，甚至證明它可以處理汽車應用的極端環境，但MRAM仍然是一個利基存儲器。

結尾：

目前尚不清楚哪種當前或下一代內存技術是贏家。也許所有技術都擁有一席之地。

總而言之，在下一代存儲器中，哪一類更適合於AI邊緣應用尚無共識。業界繼續探索當前和未來的選擇。

END

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