中国电子报：把新型存储说清楚了，这篇文章存储器是现代信息系统的关键组件之一

存储器是现代信息系统的关键组件之一，已经形成了一个主要由DRAM与NANDFlash组成的超过1600亿美元的市场。同时，新型存储开始逐步迈向产业化，将有可能重塑未来存储市场格局。我国正在大力发展存储产业，提前布局新型存储将是建立未来存储产业生态的重要部分。
新型存储主要指相变、磁变、阻变存储
【中国电子报：把新型存储说清楚了，这篇文章】目前，受到广泛关注的新型存储器主要有3种：相变存储器(PCM) ，以英特尔与美光联合研发的3DXpoint为代表;磁变存储器(MRAM) ，以美国Everspin公司推出的STT-MRAM为代表;阻变存储器(ReRAM) ，目前暂无商用产品，代表公司有美国Crossbar 。
事实上，上述新型存储器已经被研究了数十年，只是相对于早已产业化的SRAM、DRAM、和NANDFlash ，还未能大规模商用。存储产业未来的技术发展方向仍是未知数。
新型存储核心是解决“存储墙”问题
“存储墙”问题来源于当前计算架构中的多级存储，随着处理器性能的不断提升，这一问题已经成为制约计算系统性能的主要因素。当前主流的计算系统，从大型服务器集群、PC、再到智能手机，无一例外地都采用冯诺依曼架构，其特点在于程序存储于存储器中，与运算控制单元相分离。为了满足速度和容量的需求，现代计算系统通常采取高速缓存(SRAM)、主存(DRAM)、外部存储(NANDFlash)的三级存储结构，如图所示。越靠近运算单元的存储器速度越快，但受功耗、散热、芯片面积的制约，其相应的容量也越小。 SRAM响应时间通常在纳秒级， DRAM则一般为100纳秒量级， NANDFlash更是高达100微秒级，当数据在这三级存储间传输时，后级的响应时间及传输带宽都将拖累整体的性能，形成“存储墙” 。
图常见的存储系统架构及存储墙

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由于DRAM和NANDFlash本身物理特性的限制，单纯依靠改良现有的存储器很难突破“存储墙” 。因此，新型存储开始受到广泛关注，其特点在于同时具备DRAM的读写速率与寿命以及NANDFlash的非易失特性。这使得新型存储理论上可以简化存储架构将当前的内存和外存合并为持久内存，从而有望消除或缩小内存与外存间的“存储墙” 。
此外，一些新的应用也开始尝试使用新型存储，例如存内计算(PIM) 。这是一种将逻辑运算单元直接嵌入内存中的非冯诺依曼架构，理论上能够完全消除“存储墙”问题，在深度学习应用中优势明显。国外已经有使用MRAM、ReRAM作为存内计算存储单元的实验报道。
主流新型存储的产业现状
当前的3种新型存储均处于起步阶段， PCM发展最快。由于英特尔的主推， PCM商业化进程最快，已经有傲腾H系列混合固态盘、以及傲腾M系列持久内存两款主要面向数据中心的商用产品，与英特尔自身的处理器配套形成一套完整的数据密集型应用解决方案。 MRAM方面， Everspin已经有产品应用于航空航天等特定领域，并于2019年开始与格芯合作，试生产28nm制程的1GbSTT-MRAM产品。 ReRAM仍然尚未商用，初创公司如Crossbar正致力于其产业化进程。
当前的新型存储尚不具备替代DRAM或NAND闪存的能力，市场主要集中于低延迟存储与持久内存。分别比较3种存储的介质特性，如下表所示。
表新型存储及传统存储特性对比

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MRAM具有最好的读写速率和使用寿命，从理论上有机会替代现有内存和外存，但是由于涉及量子隧穿效应，大规模制造难以保证均一性，存储容量和良率爬坡缓慢。在工艺取得进一步突破之前， MRAM的产品主要适用于容量要求低的特殊应用领域以及新兴的IoT嵌入式存储领域。
PCM在读写速率以及使用寿命上都难以替代DRAM ，但是已经大幅优于NANDFlash 。当前产品的主要问题在于存储密度过低，在容量上无法替代NANDFlash 。从英特尔3DXpoint的持续亏损来看，其成本和良率也是瓶颈之一。当前PCM产品主要用作持久内存以及低延迟存储中的SSD缓存。