在 7 月 28 日最近的季度財(cái)務(wù)更新中，英特爾宣布將使用其收益報(bào)告中的一個(gè)腳注來關(guān)閉其 Optane Persistent Memory 業(yè)務(wù)。美光擁有一家位于猶他州 Lehi 的生產(chǎn) Optane 芯片的工廠，美光在今年早些時(shí)候?qū)⒃摴S賣給了德州儀器?？梢钥隙ǖ氖?，德州儀器對在猶他州為英特爾制造 Optane 內(nèi)存不感興趣。Optane 的終結(jié)對任何人來說都不足為奇。

根據(jù)Tom Coughlin和Jim Handy這兩位關(guān)注半導(dǎo)體存儲業(yè)務(wù)潮起潮落的全球最重要分析師的說法，英特爾多年來在 Optane 部件上一直在虧損——平均每季度虧損數(shù)億美元，自 2016 年以來。在 Pat Gelsinger 為英特爾打造的新世界中，多年來一直虧損的產(chǎn)品是他不希望在公司產(chǎn)品組合中出現(xiàn)的產(chǎn)品。

因此，Optane 最終成為了被廢棄的存儲技術(shù)，這些技術(shù)過去一度被看作將挑戰(zhàn) DRAM 和 NAND 閃存，以統(tǒng)治世界。許多公司過去也試圖開發(fā)許多替代半導(dǎo)體存儲器技術(shù)，但它們都未能獲得與 DRAM 和 NAND 閃存相比可觀的市場份額。然而，這并不意味著公司不會繼續(xù)嘗試，因?yàn)榛貓?bào)是巨大的。

這個(gè)市場上已經(jīng)有幾場比賽，其中大多數(shù)內(nèi)存技術(shù)都涉及某種非易失性內(nèi)存，它以一種或多種關(guān)鍵方式改進(jìn)了 NAND 閃存。我一直對半導(dǎo)體制造商用來創(chuàng)造新的“新興”類型存儲器的各種物理現(xiàn)象著迷，而且不止如此。Coughlin 和 Handy 在一份題為“新興存儲器進(jìn)入下一階段”的新報(bào)告中總結(jié)了這幾種新的和不同的存儲器技術(shù)，他們一直在研究更新版本，以涵蓋英特爾退出 Optane 業(yè)務(wù)的情況。該新版本應(yīng)該在本文出現(xiàn)時(shí)可用，因此您應(yīng)該檢查一下。

許多這些新的內(nèi)存技術(shù)可能首先用作嵌入式內(nèi)存，用 CMOS 邏輯放置在芯片上，但由于涉及的單位體積，所有這些內(nèi)存工作的圣杯是“存儲級內(nèi)存”的開發(fā)，這需要像 NAND 閃存一樣是非易失性存儲器，但與 DRAM 一樣快或最好比 DRAM 快，因此兩種現(xiàn)有的存儲器類型都可以被一種新類型取代。這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，需要滿足，但尚未實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，這里是三種新興內(nèi)存技術(shù)的漫步，以及我使用它們的一些經(jīng)驗(yàn)。

鐵電 RAM (FeRAM, FRAM)

FRAM 是我在 1980 年代第一次開始為電子出版物寫作時(shí)遇到的第一個(gè)新的內(nèi)存技術(shù)。根據(jù) Coughlin 和 Handy 的報(bào)告，鐵電存儲器發(fā)明于 1952 年，1955 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了一個(gè)集成的 256 位 FRAM 陣列，作為一個(gè)沒有有源半導(dǎo)體元件的單片設(shè)備，三年前 Jack Kilby 拼湊并在德州儀器公司發(fā)明了第一個(gè)集成電路。根據(jù) Coughlin 和 Handy 的說法，Ramtron 在 FRAM 上進(jìn)行了早期的商業(yè)化工作。他們寫：

“FRAM 的單位銷量似乎超過了所有其他新興內(nèi)存類型的總和。富士通在其用于地鐵票價(jià)卡的 RFID 芯片中使用了 FRAM，迄今為止已售出超過 40 億個(gè)此類芯片?！?/p>

FRAM 利用某些晶格的獨(dú)特物理特性。在這些鐵電材料中，一個(gè)原子可以占據(jù)晶格內(nèi)兩個(gè)穩(wěn)定位置之一。電場將晶格內(nèi)的移動原子移動到兩個(gè)穩(wěn)定位置之一，具體取決于電場的極性，并且某些物理特性（可能是電容或電阻）會根據(jù)被捕獲原子的位置而變化。

任何類型的 40 億芯片都是很多芯片，即使它被用作地鐵票價(jià)代幣，那么為什么 FRAM 在這么長時(shí)間和交付了所有這些數(shù)十億芯片之后仍然不為人知？半導(dǎo)體工廠經(jīng)理不太喜歡鐵電材料，因?yàn)樗鼈儼刂芷诒碓?，如鉛或鉍，很容易污染工廠。因此，F(xiàn)RAM 作為非易失性嵌入式片上存儲器的用途有限。

Coughlin 和 Handy 的報(bào)告提到，氧化鉿和氧化鋯也可以配制成表現(xiàn)出鐵電特性，而且這些材料由于其他原因已經(jīng)在晶圓廠中使用，因此 FRAM 的未來故事很可能會繼續(xù)。

電阻式 RAM

（RRAM、ReRAM、憶阻器）

1971 年，加州大學(xué)伯克利分校的 Leon Chua 寫了一篇題為“憶阻器——缺失的電路元件”的理論論文。該論文描述了第四種基本的無源電子設(shè)備憶阻器，它根據(jù)之前流過設(shè)備的電荷量來調(diào)節(jié)通過自身的電流。Chua 沒有制造這樣的設(shè)備。早在 1971 年，憶阻器只是理論上的。這是一個(gè)假設(shè)的設(shè)備，滿足了用于描述其他三個(gè)基本無源電子元件行為的方程式中明顯的對稱性需求：電阻器、電容器和電感器。憶阻器在理論上存在，但在實(shí)踐中并不存在。

這一切都在2008 年發(fā)生了變化，當(dāng)時(shí)惠普實(shí)驗(yàn)室宣布它已經(jīng)成功地用二氧化鈦制造了一個(gè)憶阻器，并且憶阻器是可用于存儲模擬或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的非二進(jìn)制設(shè)備。這是一個(gè)激動人心的公告，人們很快就預(yù)測 DRAM 即將消亡，取而代之的是電阻式存儲器或 RRAM 形式的憶阻器。此外，惠普表示，它將在其即將推出的登月計(jì)算機(jī)The Machine中使用 RRAM。

到 2015 年，惠普已經(jīng)退縮并表示將在 The Machine 中使用 DRAM 而不是憶阻器。在惠普宣布憶阻器 15 年后，RRAM 革命尚未發(fā)生，而且似乎不會很快發(fā)生。Coughlin 和 Handy 的報(bào)告詳細(xì)介紹了 RRAM/ReRAM 的幾項(xiàng)工作，而 RRAM 的時(shí)代可能還沒有到來——現(xiàn)在很快，毫無疑問。

相變存儲器 (PCM)

相變存儲器或 PCM 使用材料的一些主要物理轉(zhuǎn)變——例如結(jié)晶態(tài)和非晶態(tài)之間的轉(zhuǎn)變——以及相關(guān)的電氣特性變化——來存儲數(shù)據(jù)。根據(jù)其歷史，Optane 內(nèi)存很可能是一種 PCM。Optane 的根源可以追溯到多產(chǎn)的發(fā)明家 Stanford Ovshinsky，他花了幾十年的時(shí)間研究非晶半導(dǎo)體的特性和用途。我記得在 1970 年代初，我和我的朋友兼大學(xué)同學(xué) Jim Blike 討論過 Ovshinsky 的作品。他對 Ovshinsky 的開創(chuàng)性工作感到非常興奮。

Ovshinsky 于 1960 年創(chuàng)立了 Energy Conversion Laboratories，以研究無定形材料及其相變特性。該實(shí)驗(yàn)室于 1964 年成為能量轉(zhuǎn)換設(shè)備 (ECD)，而 Ovshinsky 的眾多創(chuàng)新之一是以他自己的名字命名的 Ovonics 相變存儲器。英特爾和美光最終與 Ovshinsky 和 ECD 合作，獲得了 Ovonics Phase-Change Memory 知識產(chǎn)權(quán)的許可，并在 2015 年大張旗鼓地宣布了 3D XPoint PCM。

美光和英特爾在 3D XPoint PCM 上投入了大量精力并引起了人們的興趣，但我似乎記得，該技術(shù)報(bào)告的早期問題之一是適度的熱量可以使 PCM 存儲單元中的位退火，并且有數(shù)據(jù)中心服務(wù)器內(nèi)部有大量可用熱量。這個(gè)熱量問題意味著 PCM 可能需要像 DRAM 一樣進(jìn)行刷新。根據(jù)環(huán)境溫度有多熱，刷新周期可能需要相當(dāng)頻繁，大約幾秒鐘。但是，我最近沒有聽到太多關(guān)于這個(gè)問題的消息，所以也許它已經(jīng)解決了。

尚未克服的問題是每比特的相對成本。英特爾在 Optane 存儲設(shè)備上的虧損以及美光先前退出 3D XPoint 合資企業(yè)證明，即使是英特爾和美光這樣的主要半導(dǎo)體制造商也很難讓 PCM 具有價(jià)格競爭力，即使背后有十年的研發(fā)努力。

磁性內(nèi)存 (MRAM)

我必須承認(rèn)，我對磁記憶有著特殊的親和力。第一臺使用磁存儲器的計(jì)算機(jī)是 MIT Whirlwind 計(jì)算機(jī)項(xiàng)目，它在 1953 年 8 月 8 日獲得了世界上第一個(gè)磁芯存儲器。在接下來的二十年里，磁芯內(nèi)存完全主導(dǎo)了計(jì)算機(jī)內(nèi)存空間。然而，英特爾在 1970 年末推出了第一個(gè)商業(yè)上可行的半導(dǎo)體 DRAM 1103，為磁芯存儲器敲響了喪鐘。

核心內(nèi)存仍然是一種手工編織的產(chǎn)品，因此價(jià)格昂貴。盡管公司確實(shí)嘗試過，但它拒絕了一切使其制造自動化的努力。他們只是失敗了。與此同時(shí)，半導(dǎo)體 DRAM 利用了使集成電路成為電子行業(yè)驅(qū)動力的大規(guī)模生產(chǎn)制造技術(shù)，首先是光刻技術(shù)。磁芯記憶似乎在一夜之間消失了。到 1975 年，DRAM 明顯統(tǒng)治了內(nèi)存。

多年來，磁存儲器一直讓技術(shù)人員著迷。英特爾、西部電氣、德州儀器、羅克韋爾、美國國家半導(dǎo)體、日立、西屋、摩托羅拉、富士通和夏普都在 1970 年代后期開始嘗試將磁泡存儲器商業(yè)化，但都失敗了。IBM 從 2000 年代初開始開發(fā) Racetrack 內(nèi)存，這是一種更新的 1 維版本的內(nèi)存。還沒有。即使這些磁存儲器技術(shù)中的一種成功了，它們也是串行存儲器，因此相對較慢且僅適用于磁盤更換，或者目前僅用于更換基于 NAND 閃存的 SSD。

磁性 RAM，MRAM，試圖將基于光刻的半導(dǎo)體生產(chǎn)的大規(guī)模制造技術(shù)與磁位存儲相結(jié)合。非易失性 MRAM 現(xiàn)已作為 Everspin Technologies 的商業(yè)產(chǎn)品提供。至少十年來，我一直在寫關(guān)于那家公司的文章。Everspin 說它已經(jīng)售出了數(shù)百萬個(gè) MRAM 芯片。這遠(yuǎn)不及 DRAM 和 NAND 閃存單元的數(shù)量，但也不是沒有。

然而，與 DRAM 和 NAND 閃存芯片相比，MRAM 有兩個(gè)顯著的競爭問題：每個(gè)芯片的位密度和成本。MRAM 供應(yīng)商正在嘗試各種方法來克服這些競爭挑戰(zhàn)。最新的希望被稱為 STT (Spin Torque Transfer) MRAM。Coughlin 和 Handy 的報(bào)告提供了包括 STT MRAM 在內(nèi)的九種不同類型 MRAM 的大量技術(shù)細(xì)節(jié)。

也許四種新興內(nèi)存類型（FRAM、RRAM、PCM 或 MRAM）中的一種將成為存儲類內(nèi)存的圣杯。也許它會是其他一些內(nèi)存技術(shù)。也許像星際迷航的等線性芯片，不管它們是什么。時(shí)間會證明一切。

編輯：黃飛

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