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3種新興內(nèi)存技術(shù)將改變您的處理數(shù)據(jù)方式

漁翁先生 ? 來源:電子發(fā)燒友網(wǎng) ? 作者:Allen Yin 編譯 ? 2019-11-15 19:00 ? 次閱讀
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幾年前,IDC預測,到2025年,普通人每天將與連接的設備進行4800次交互。從這些傳感器中注入的信息將促進機器學習,語言處理和人工智能,所有這些都需要快速存儲和更多的計算能力。下一代內(nèi)存技術(shù)將解決當今存儲層次結(jié)構(gòu)中的空白,在需要進行實時處理的地方提供數(shù)據(jù)。

新興的內(nèi)存技術(shù)有望將大量數(shù)據(jù)保持在處理器附近,而不會導致SRAMDRAM的高成本或功耗。大多數(shù)都是非易失性的,例如SSD內(nèi)的NAND閃存,并且比連接NVMe的固態(tài)驅(qū)動器快得多。

在這個由兩部分組成的系列文章的第一個部分中,我們將研究三種技術(shù)來解決即將出現(xiàn)的大數(shù)據(jù)瓶頸:英特爾的Optane,兩種類型的磁阻RAM(MRAM)和電阻型隨機存取存儲器(ReRAM) 。第二部分將介紹納米管RAM,鐵電RAM和相變存儲器。

新內(nèi)存技術(shù)的主要優(yōu)點

  • 英特爾Optane DC持久性內(nèi)存:針對數(shù)據(jù)中心工作負載進行了調(diào)整的非易失性高容量內(nèi)存??梢酝ㄟ^內(nèi)存操作或塊存儲進行訪問。
  • MRAM:可以完全斷電的非易失性存儲器,然后快速喚醒以在IoT應用程序中進行快速寫入。
  • ReRAM:承諾彌合數(shù)據(jù)中心中DRAM和閃存之間的差距。將整個數(shù)據(jù)庫存儲在快速,非易失的ReRAM中將徹底改變內(nèi)存計算。

為大數(shù)據(jù)奠定基礎

問題在于:計算性能正在以數(shù)據(jù)訪問技術(shù)無法比擬的速度增長。當大型并行CPU或?qū)S玫募铀倨饔帽M了超高速緩存或快速的系統(tǒng)內(nèi)存時,它們被迫進入基于磁盤的慢速存儲,以使字節(jié)緊縮,并磨碎(相對)停止。更大的SRAM高速緩存有助于將熱數(shù)據(jù)保持在手邊,而充足的DRAM為內(nèi)存計算帶來了奇跡。但是,兩種類型的存儲采購起來都很昂貴。它們本質(zhì)上也是易失的,需要恒定的能力來保留數(shù)據(jù)。添加這兩種方法都不是解決等待實時分析的龐大數(shù)據(jù)量的經(jīng)濟方法。

英特爾非易失性存儲器解決方案事業(yè)部高級副總裁兼總經(jīng)理Rob Crooke總結(jié)了這種基本挑戰(zhàn):“ DRAM的容量不足以解決當今的實時數(shù)據(jù)分析問題,而傳統(tǒng)存儲的速度并不快足夠。”

上圖:新興的內(nèi)存技術(shù)有助于縮小閃存(雖然容量大但相對較慢)與DRAM快(但容量卻受到更多限制)之間的差距。

該公司的Optane技術(shù)適合日益擴大的系統(tǒng)內(nèi)存與基于閃存的固態(tài)驅(qū)動器,潛在的增壓分析,人工智能和內(nèi)容交付網(wǎng)絡之間的差距。DRAM非常適合內(nèi)存處理,但容量也有限。SSD可以擴展到大規(guī)模部署,每GB的成本要低得多。他們只是沒有實時事務操作的性能。Optane旨在橋接這兩個世界。

Optane 采用獨特的架構(gòu),該架構(gòu)由堆疊在密集的三維矩陣中的可單獨尋址的存儲單元組成。英特爾并未對其基于Optane的設備中的技術(shù)進行具體說明。但是,我們確實知道Optane可以像DRAM或SSD一樣工作,具體取決于其配置。

上圖:英特爾的Optane DC永久存儲模塊插入主板的DIMM插槽中,可添加128GB至512GB的高速非易失性存儲。

英特爾的Optane DC持久性內(nèi)存放入連接到CPU內(nèi)存控制器的標準DIMM插槽中。它最大可提供512GB的容量,可容納的數(shù)據(jù)量是最大DDR4模塊的幾倍。斷電時,有關在App Direct模式下運行的Optane DC永久內(nèi)存DIMM的信息將保留。相反,諸如DRAM之類的易失性存儲技術(shù)如果不經(jīng)常刷新,則會迅速丟失數(shù)據(jù)。軟件確實需要針對英特爾的技術(shù)進行優(yōu)化。但是,正確的調(diào)整允許性能受限的應用程序以低延遲的內(nèi)存操作訪問Optane DC永久內(nèi)存。

另外,也可以在內(nèi)存模式下使用DIMM,將它們與易失性內(nèi)存共存以擴展容量。無需重寫軟件即可在內(nèi)存模式下部署Optane DC永久內(nèi)存。

該技術(shù)也可以在英特爾所謂的“應用程序直接存儲模式”中使用,在該模式下,可以通過標準文件API訪問永久內(nèi)存地址空間。期望塊存儲的應用程序可以訪問Optane DC永久存儲模塊的App Direct區(qū)域,而無需進行任何特殊優(yōu)化。與通過I / O總線移動數(shù)據(jù)相比,這樣做的好處是性能更高。

無論應用程序如何使用Optane DC持久性存儲器,該技術(shù)的優(yōu)勢都一樣:容量,性能和持久性。內(nèi)存占用量大的數(shù)據(jù)中心應用程序(認為云和基礎架構(gòu)即服務)是直接受益者。內(nèi)存數(shù)據(jù)庫,存儲緩存層和網(wǎng)絡功能虛擬化也是如此。

MRAM在邊緣顯示出希望

Optane主要針對數(shù)據(jù)中心,而磁阻RAM或MRAM在各種IoT設備上都顯示出了希望 — IDC表示,傳感器將很快每天接觸數(shù)千次。

請考慮應用材料部門內(nèi)存部門總經(jīng)理Mahendra Pakala博士的博客文章中的示例。它使用具有語音和面部識別功能的安全攝像機作為MRAM工作良好的示例。您希望該攝像機在邊緣處理盡可能多的數(shù)據(jù),并且僅將重要的信息上傳到云中。但是,功耗至關重要。根據(jù)Pakala博士的說法,當今的邊緣設備主要采用SRAM存儲器,每個單元最多使用六個晶體管,并且會遭受高有源泄漏功率,從而降低了效率。“作為替代方案,MRAM承諾將晶體管密度提高幾倍,從而實現(xiàn)更高的存儲密度或更小的管芯尺寸。”更大的容量,更緊湊的芯片以及更低的功耗,對于任何在邊緣進行處理的人來說都是一個勝利。

MRAM中的數(shù)據(jù)由由一對鐵磁板形成的磁性元件存儲,并由薄的電介質(zhì)隧穿絕緣子隔開。一個極板的極性被永久設置,而另一極的磁化強度改變以存儲零和一。這些板一起形成磁隧道結(jié)(MTJ)。這些成為存儲設備的基礎。

像Optane DC永久性存儲器一樣,MRAM是非易失性的。Everspin Technologies是MRAM技術(shù)的領導者之一,該公司表示,存儲在其Toggle MRAM中的數(shù)據(jù)在溫度下可持續(xù)使用20年。MRAM也非??臁verspin聲稱同步讀寫延遲在35ns范圍內(nèi)。這接近于SRAM夸張的性能,從而使MRAM幾乎可以替代當今的任何易失性存儲器。

密度是傳統(tǒng)MRAM缺少DRAM和閃存的地方。Everspin 最近宣布了一種32Mb設備。但是相比之下,最大的每單元四位NAND部件提供4Tb的密度。MRAM在物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)應用中脫穎而出的更多原因是,MRAM的性能,持久性和無限的耐久性足以彌補容量不足。

上圖:Everspin的最新1Gb自旋轉(zhuǎn)移扭矩MRAM器件面向需要高容量,低延遲和持久性的企業(yè)和計算應用。

自旋傳遞扭矩(STT-MRAM)是磁阻技術(shù)的一種變體,通過用極化電流操縱電子自旋來工作。與Toggle MRAM相比,其機制所需的開關能量更少,從而降低了功耗。STT-MRAM也具有更大的可擴展性。Everspin的獨立設備提供256Mb和1Gb密度。像Phison這樣的公司可以將其中之一放在其閃存控制器旁邊,并獲得出色的緩存性能,并具有掉電保護的額外優(yōu)勢。您無需擔心購買帶有內(nèi)置電池備份的SSD。進行中的數(shù)據(jù)傳輸始終將是安全的,即使在意外關閉的情況下。

英特爾,臺積電和聯(lián)電等代工廠對STT-MRAM感興趣的另一個目的是:他們希望將其嵌入其微控制器中。這些設計中目前使用的NOR閃存很難擴展到較小的制造節(jié)點,而MRAM的集成更經(jīng)濟。實際上,英特爾已經(jīng)發(fā)表了一篇論文,展示了其22nm FinFET低功耗工藝與生產(chǎn)就緒的7.2Mb MRAM陣列。該公司表示,MRAM作為嵌入式非易失性存儲器是具有片上啟動數(shù)據(jù)要求的IoT,FPGA和芯片組的潛在解決方案。

ReRAM可能是內(nèi)存中計算的答案

在宣布成功將MRAM與22FFL制造集成后的幾個月,英特爾在國際固態(tài)電路會議上作了介紹,介紹了一個嵌入有相同處理節(jié)點的3.6Mb電阻式隨機存取存儲器(ReRAM)宏。

ReRAM是另一種類型的非易失性存儲器,聲稱具有低功耗,高密度的性能,可將其置于DRAM和基于閃存的存儲之間。但是,盡管MRAM的特性預示了IoT設備的生命,但ReRAM正在為數(shù)據(jù)中心事業(yè)做準備,以縮小服務器內(nèi)存和SSD之間的差距。

上圖:Crossbar的ReRAM技術(shù):兩個電極之間的電介質(zhì)中的納米纖絲通過不同的電壓電平形成和復位,從而形成了低電阻和高電阻路徑。

多家公司正在開發(fā)使用多種材料的ReRAM。例如,Crossbar的ReRAM技術(shù)采用了夾在頂部和底部電極之間的硅基開關材料。當在電極之間施加電壓時,納米絲會在電介質(zhì)中形成,從而形成低電阻路徑。然后可以通過另一個電壓將燈絲復位。英特爾在氧氣交換層下使用了氧化鉭高κ電介質(zhì),從而在其電極之間產(chǎn)生了空位。這兩個單元的組成不同,但執(zhí)行相同的功能,與NAND閃存相比,提供了快許多倍的讀取和寫入性能。

應用材料公司的Pakala博士說,ReRAM似乎是內(nèi)存計算中最可行的存儲技術(shù),其中數(shù)據(jù)保存在RAM中而不是磁盤中的數(shù)據(jù)庫中?!巴ㄟ^利用歐姆定律和基爾霍夫定律,可以在陣列內(nèi)完成矩陣乘法,而無需將權(quán)重移入或移出芯片。多級單元架構(gòu)有望將存儲密度提高到一個新的水平,從而可以設計和使用更大的模型。”在DRAM中處理這些模型的成本非常高,這就是為什么ReRAM的成本優(yōu)勢如此令人鼓舞的原因。

上圖:CrossBar的ReRAM可以嵌入SoC中,以實現(xiàn)板載快速,非易失性存儲。

最好的還在后頭

從工廠車間到數(shù)據(jù)中心,要充分利用計算資源而又不花很多錢,就需要一種全新的存儲方法。Energias市場研究公司預計,從現(xiàn)在到2025年,MRAM市場將快速增長,在復合年增長率為49.6%之后,將達到12億美元。Coughlin Associates預測,到2028年,作為Optane核心技術(shù)的3D XPoint存儲器將推動收入超過160億美元。顯然,存在對解決閃存,DRAM和SRAM即將到來的限制的新存儲器的需求。

也不必只有一個獲勝者。這三種新興內(nèi)存類型可能共存于存儲層次結(jié)構(gòu)的各個級別,并具有一個共同的目標:確保即將來臨的數(shù)據(jù)泛濫不會淹沒現(xiàn)有的訪問技術(shù)。帶有第二代Xeon可擴展處理器的服務器中,英特爾的Optane DC持久性內(nèi)存已經(jīng)非常豐富。MRAM與SSD控制器一起用于代替DRAM的寫緩存。由于應用材料公司的Endura Impulse PV大批量生產(chǎn)系統(tǒng),ReRAM比以往任何時候都更具可行性。如果您認真對待處理大量數(shù)據(jù),那么未來五年將至關重要。現(xiàn)在是時候開始權(quán)衡您的選擇了。

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