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于領先地位。
傳統(tǒng)存儲芯片到達技術節(jié)點
存儲器產業(yè)如今形成了DRAM芯片、NADA Flash芯片、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(tǒng)存儲芯片的弊端也逐漸開始顯現(xiàn)。
隨著芯片技術節(jié)點接近其物理極限,電容器中電子數(shù)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,當芯片制程小于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(fā)展。
性能和功耗在云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(xù)供電來保存數(shù)據(jù)(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)。
這兩種存儲器都采用了新的材料,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:云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,并且比固態(tài)硬盤和硬盤驅動器具有更高的性能。
PCRAM甚至是鐵電場效應晶體管(FeFETs)都是很好的選擇,因為它們都有實現(xiàn)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(tǒng)的存儲能效提升帶來了新的契機,采用新型非易失性存儲技術來替代傳統(tǒng)的存儲技術可以適應計算機技術發(fā)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適用于各種用途,而PCRAM則否,反之亦然。
與商業(yè)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(jié)大小的情況下,前者的單元數(shù)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(fā)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(fā)布了基于相變材料的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(yè)化量產的相變存儲產品,其發(fā)布標志著AMT已成為全球繼美光、三星之后少數(shù)幾個掌握相變存儲器研發(fā)、生產工藝和自主知識產權的公司。
MRAM在邊緣展現(xiàn)出優(yōu)勢
作為一種替代方案,MRAM承諾將使晶體管密度提高數(shù)倍,從而實現(xiàn)更高的存儲密度或更小的芯片尺寸。
MRAM的另一個關鍵特性是它可以被設計成嵌入式系統(tǒng)芯片產品的后端互連層。MRAM可用于存儲SOC的操作系統(tǒng)和應用程序,從而消除了為此目的而使用嵌入式閃存芯片的需要,從而降低了系統(tǒng)芯片總數(shù)和成本。
高性能的“近邊緣”應用場景,如缺陷檢測和醫(yī)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個晶體管,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可以將使晶體管密度提高數(shù)倍,從而實現(xiàn)更高的存儲密度或更小的芯片尺寸。
更大的容量,更緊湊的芯片,更低的功耗,聽起來像是所有處于邊緣處理器的勝利。
這接近于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(tǒng)的DRAM和閃存相比,MRAM的一個明顯差距在其容量方面。如Everspin最近發(fā)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(lián)網和工業(yè)應用領域脫穎而出,因為其性能、持久性和無限的續(xù)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(xiàn)新型的、功能大大提升的單芯片系統(tǒng)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,邏輯和存儲處于分離狀態(tài),現(xiàn)有的晶體管技術已經能夠實現(xiàn)幾個納米制程,包含數(shù)十億個晶體管的邏輯電路,同時現(xiàn)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,自旋芯片都無法替代現(xiàn)有的主流芯片,只能應用于某些特定需求的領域。
盡管有些人已經發(fā)現(xiàn)嵌入式技術在商業(yè)上取得了一定程度的成功,但它們也落后于離散存儲器的高性價比替代方案。盡管具有更高的性能,耐用性和保留性,或者降低了功耗。
盡管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(huán)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,哪一類更適合于AI邊緣應用尚無共識。業(yè)界繼續(xù)探索當前和未來的選擇。