閃存時代預期將在2020年走向終結，包括電阻式與電子自旋式等存儲的最新技術蓄勢待發(fā)，未來引領其性能更高，速度更快且具有動態(tài)存儲式定址能力的新閃存，未來將對現(xiàn)有閃存技術全面接盤，由于這些技術的顛覆性我們把他們的未來稱作“后閃存時代”（Post_NAND）。

 

一些人會問，這些新技術中的一種通用的存儲技術真的能聯(lián)接動態(tài)存儲器和非易失性存儲器嗎?

 

現(xiàn)在聽來似乎有點不靠譜，只要找一個NAND的替代品好像就成了。

 

目前主要有IBM和HP在做后閃存理論研究并且有所突破。其他的比如三星，東芝和美光，他們更感興趣的是延長NAND的壽命以及他們對NAND制程的投資，而不是找別的產(chǎn)品取代閃存。

 

但無論如何，他們沒法視而不見。美光研發(fā)出了相變存儲器，近來已經(jīng)投入生產(chǎn)，東芝已經(jīng)在研發(fā)自旋轉移力矩隨機存取存儲器，而三星也開始涉獵自旋轉移力矩隨機存取存儲器。

 

NAND閃存是一種奇特的技術，它具有非易失性，就像磁帶和磁盤，但又不是字節(jié)編址。與它們不同，它每次都要寫入字節(jié)塊。每個字節(jié)又要分入一個單元。

 

因而在新數(shù)據(jù)寫入之前也不得不成塊清空或刪除。這就意味著一個寫循環(huán)包含兩個過程。讀取是一個單過程。

 

在NAND半導體技術結束它的過程收尾時，單元在10納米以下變得越來越易錯，壽命也越來越短，另一個post-NAND技術正在被審查，看看它們是否可以在需要時傳遞增強的密度(容量)，而不連帶NAND的缺點。

 

用戶會一直追求大容量和高速度，那時就會需要post-NAND技術。兩三年前人們認為Post-NAND的未來很快就要到了，但是TLC和3D NAND技術又將NAND時代的終結向后推遲到了2020年。

 

研發(fā)工程師集中研究字節(jié)編址和非易失性的技術，當然也比NAND存取更快，使它們在定址能力和速度上的表現(xiàn)更接近動態(tài)隨機存儲器。

 

為了改變存儲器的易失性，數(shù)據(jù)就需要一個分離的固定存儲基礎設施(閃存，磁盤和磁帶)，這樣一來存儲器就成了非易失性的。這也就意味著深層系統(tǒng)軟件必須做出改變才能使系統(tǒng)充分使用這個“存儲內(nèi)存”。

 

后閃存時代有三個主要的發(fā)展方向：相變存儲器，電阻式隨機存儲器以及自旋轉移力矩隨機存取存儲器。

PCM：相變存儲

 

相變存儲器包括利用電力來改變硫系玻璃材質，由多晶變成非晶狀態(tài)，改變了它的電阻。

 

電流應用到元器件加熱，如果它迅速冷卻那么硫化物會變?yōu)槎嗑ЫY構，耗熱量較慢也就意味著它有高電阻非晶|體結構。

 

隨著IBM制成了PCM/NAND混合卡，美光和IBM全都參與了相變存儲器的研究。HGST演示了如圖所示的一個可以傳送3百萬 IOPS和延期讀取1.5微秒的相變存儲產(chǎn)品。

 

 

 

 

PCM制造商美光表示相變存儲器是目前正在投資的少數(shù)幾個新興存儲技術之一。2012年PCM產(chǎn)品海運至諾基亞公司用于Asha智能手機制作。芯片內(nèi)存1Gb，45納米制程，寫入超過100，000次。

 

然而此后很多事都發(fā)生了變化，尤其是NAND前景與TLC和3D概念上。最終，美光因為研發(fā)了一個低成本，低功率，高性能的新制程而從市場上撤出了他們的PCM產(chǎn)品。

 

憶阻器

 

2008年，惠普公布了對憶阻器的物理實現(xiàn)，并將其定位為與電容器，電阻器和電感器并列的第四個基本元件。

 

憶阻器單元由兩層二氧化鈦半導體薄膜構成。其中只有第一層有微小的氧空位，并且可以導電。另一層則是電阻非常非常高。

 

氧空位可以通過電壓傳導從這一層移動到另一層，而他們停留和移動憶阻器電阻的位置，給我們設置了一個開關功能。

 

這個技術與 不同，在某些領域也視為才生產(chǎn)兩年的產(chǎn)品，但它和擁有全新的操作系統(tǒng)和特芯片的硅光子相同，是惠普“機器”研發(fā)的眾多支柱之一。

 

幾個產(chǎn)品相結合降低了其各自給存儲區(qū)的帶來的，憶阻器技術可能會有的特殊影響。

 

首先，惠普把它的憶阻器當做一項專利技術在自己的專有硬件上使用。據(jù)我們所知，主要的閃存制造運營商也都沒有參與憶阻器開發(fā)。 Hynix,一家二線制造運營商已經(jīng)參與進來了。

 

第三，人們普遍把憶阻器看成一個電阻式隨機存儲器變體，而不是一個天差地異的非易失性存儲器變體。

電阻式隨機存儲器

 

與PCM,PRAM類似利用不同阻力水平來傳送二進制0，1的信號，但沒有改變相變元件的狀態(tài)。IBM和Crocus 曾合作開發(fā)過磁電阻存儲器。Unity Semiconductor有CMOx技術。第三家參與研發(fā)的公司是Crossbar。

 

Crossbar擁有3D RRAM技術，并認為可以搭建1TB的芯片。它的第一個單機RRAM芯片將到每晶1Tb，這就需要有十萬寫入次數(shù)。

 

據(jù)悉它將為嵌入式市場帶來字節(jié)尋址，為存儲市場帶來1KB的頁面尋址。Crossbar透露它的制程能突破16納米，接近NAND的極限。該技術基于一個不定形硅交換層，靠的是金屬原子運動原理。Crossbar的架構被描述成1TnR,就是一個單晶|體管驅動n個電阻式存儲元件。

 

Crossbar表示這將帶來高容量的固態(tài)存儲。

 

Crossbar RRAM
 

 

相比之下，PCM的一個晶|體管驅動一個單元件的1T1R架構，按照Crossbar的說法來看，則意味著較低密度。

 

憶阻器利用了氧空位現(xiàn)象，而氧空位要求貴金屬電極，如鉑。該公司指出這些都很難并入一個生產(chǎn)程序中，并堅稱金屬離子比氧空位更好控制。

它又補充說憶阻器技術必須要有一個復雜的非化學計量氧化物來代替氧空位，很難復制。而他本身的非晶硅不需要嚴密的化學計量控制并且很容易復制。

 

Crossbar也將與一家制造運營商合作批量生產(chǎn)RRAM芯片，也就是說主要的存儲器或閃存運營制造商都還沒有決定跟風RRAM技術。

 

旋轉移力矩磁阻存儲器(STT-RAM)

 

這是第三個大眾認可的后閃存技術，三星和東芝已經(jīng)積極活躍在該領域。

 

通常電流不能自旋極化，就像是把電子一半分成上自旋，一半分成下自旋一樣。這種現(xiàn)狀在通過一個厚磁性層分流后改變了，它的上自旋電子變得比下自旋電子多，反之亦然。

 

接近自旋極化的電流自旋方向從代表二進制0，1的磁力方向移向磁元件。

 

自旋轉移技術，一個工作在該領域的公司叫MRAM。從2012年2月拿到0.36億美元初始資金，2014年10月，又增加了0.77億美金，兩輪投資總額就達到了1.06億美元。

 

2011年，三星吞并了一個叫做Gradis技術研發(fā)公司后也介入了STT-RAM研究。

現(xiàn)狀

 

此時顯然還沒有主要的閃存制造商只支持一種后閃存時代技術，在El Reg看來有兩個原因。

 

首先，沒有明顯的高端技術出現(xiàn)，PCM，RRAM，STT-RAM大致處于平等地位，在一些像Crossbar 和Spin-Transfer科技的企業(yè)把精力集中在他們自己的研究上時，閃存運營制造商把post-nand技術放在了次要位置。

 

他們通過3D和TLC來提高NAND閃存密度，通過使用NVMe甚至flashDIMM接口來降低延遲。在接近2020年之前他們并不急于開發(fā)其他任何的產(chǎn)品。

 

該領域備受推崇的咨詢顧問Jim Handy客觀分析說，“我預計2023年RRAM或者其它極具競爭力的技術將會取代閃存和動態(tài)存儲，如今根深蒂固的技術還會跟隨我們一段時間。

 

在那之前，其他所有想要取代DRAM和閃存的技術都不會是主流。

 

后閃存技術公司小眾并且資金不足。

 

到那時，閃存芯片會不斷升級，加一層一層的cells來增大容量，需要時用TLC提供一個額外的彈性容量。

 

現(xiàn)在任何系統(tǒng)軟件通常都不用考慮后閃存時代存儲器，研發(fā)公司可以慢慢來。