在當(dāng)今的存儲(chǔ)器市場中，根據(jù)數(shù)據(jù)保存特性可以將存儲(chǔ)器大致分為兩大類：易失性存儲(chǔ)器與非易失性存儲(chǔ)器。前者指的是那些一旦失去電力供應(yīng)，所儲(chǔ)存的信息就會(huì)消失不見的設(shè)備；后者則相反，在沒有電源的情況下仍能保持其內(nèi)部的數(shù)據(jù)不變。
隨著信息技術(shù)的發(fā)展以及消費(fèi)者對(duì)于更高效、可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解決方案的需求日益增長，非易失性存儲(chǔ)器因其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而受到了越來越多的關(guān)注。
一、淺談非易失性存儲(chǔ)器
非易失性存儲(chǔ)器（NVM）是一種半導(dǎo)體技術(shù)，無需持續(xù)供電來保留存儲(chǔ)在計(jì)算設(shè)備中的數(shù)據(jù)或程序代碼。系統(tǒng)制造商根據(jù)不同的應(yīng)用需求會(huì)選擇合適的非易失性存儲(chǔ)器，例如部分NVM專門用于存儲(chǔ)硬盤驅(qū)動(dòng)器（HDD）、磁帶驅(qū)動(dòng)器等外圍設(shè)備的控制器固件；其他類型的NVM則常用于固態(tài)驅(qū)動(dòng)器（SSD）、USB驅(qū)動(dòng)器以及各種便攜式電子產(chǎn)品的存儲(chǔ)卡內(nèi)，作為主要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)。
這種存儲(chǔ)器具備非易失、支持字節(jié)級(jí)訪問、存儲(chǔ)密度高、低能耗等特點(diǎn)，并且提供了相對(duì)較快的數(shù)據(jù)讀寫速度，盡管其寫入速度往往慢于讀取速度，值得注意的是所有這些存儲(chǔ)媒介都有一定的使用壽命限制。如今，非易失性存儲(chǔ)器在市場上種類繁多，半導(dǎo)體類的有ROM和Flash，其他的還有光盤、機(jī)械硬盤等。
-
只讀存儲(chǔ)器（ROM）：一旦存儲(chǔ)數(shù)據(jù)就無法更改，內(nèi)容不會(huì)因?yàn)殡娫搓P(guān)閉而消失。
-
閃存（Flash Memory）：允許在操作中被多次擦或?qū)懙拇鎯?chǔ)器，主要用于一般性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以及在電腦與其他數(shù)字產(chǎn)品間交換傳輸數(shù)據(jù)，如儲(chǔ)存卡與U盤。閃存是一種特殊的、以宏塊抹寫的EEPROM。
隨著制造工藝的進(jìn)步，尤其是當(dāng)特征尺寸縮減至28nm以下時(shí)，傳統(tǒng)NVM面臨了諸多挑戰(zhàn)，特別是在滿足人工智能（AI）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等領(lǐng)域?qū)τ诟咝?、大容量及快速響?yīng)能力要求方面顯得力不從心。為此，業(yè)界正積極研發(fā)下一代非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，旨在克服現(xiàn)有方案的局限性并適應(yīng)新興應(yīng)用場景的需求。
近年來興起的一些前沿NVM技術(shù)包括磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）、阻變存儲(chǔ)器（RRAM/ReRAM）、鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（FRAM）、奧弗辛斯基統(tǒng)一內(nèi)存（OUM）以及聚合物鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（PFRAM）等。相比傳統(tǒng)選項(xiàng)，新型存儲(chǔ)架構(gòu)在性能指標(biāo)如存取延遲、能耗效率、集成度等方面實(shí)現(xiàn)了顯著改進(jìn)，不僅更好地契合了當(dāng)代信息處理系統(tǒng)對(duì)更高密度、更大容量以及更強(qiáng)擴(kuò)展能力的要求，同時(shí)也針對(duì)特定領(lǐng)域內(nèi)的獨(dú)特使用場景進(jìn)行了定制化設(shè)計(jì)與優(yōu)化。
特別是磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（MRAM），作為一種極具潛力的替代方案，在眾多新型非易失性存儲(chǔ)技術(shù)中脫穎而出，展現(xiàn)出優(yōu)異的技術(shù)特性和廣闊的應(yīng)用前景。
二、MRAM，脫穎而出
MRAM（Magnetoresistive Random Access Memory）作為一種非易失性的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器，通過利用磁電阻效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的持久保存。與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）不同，MRAM采用磁性隧道結(jié)（MTJ）作為存儲(chǔ)單元，通過改變磁化方向來記錄二進(jìn)制數(shù)據(jù)。
早期階段，由于知識(shí)產(chǎn)權(quán)限制及軍事應(yīng)用對(duì)先進(jìn)材料和技術(shù)的嚴(yán)格管控，導(dǎo)致了MRAM技術(shù)發(fā)展緩慢且難以廣泛進(jìn)入消費(fèi)市場。然而，隨著相關(guān)專利保護(hù)期滿以及新型量子材料研究取得顯著進(jìn)展，如今MRAM已不再局限于國防領(lǐng)域，并逐漸受到民用市場的重視。當(dāng)前，產(chǎn)業(yè)界正致力于解決阻礙大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的挑戰(zhàn)，旨在將MRAM打造成為一種理想的長效固態(tài)存儲(chǔ)解決方案。
-
MRAM特點(diǎn)
首先，從性能角度來看，MRAM具備非易失性存儲(chǔ)特性的同時(shí)還能提供接近甚至超越現(xiàn)有主流內(nèi)存產(chǎn)品的讀寫速度，這一獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使其特別適合于那些要求快速啟動(dòng)同時(shí)又需確保重要數(shù)據(jù)長期保存的應(yīng)用場景之中。
其次，在訪問延遲方面，DRAM的讀寫速度一般在50納秒左右，而NAND Flash的讀寫速度通常在幾百微秒到幾毫秒之間，相比之下，MRAM已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)低于10納秒的讀操作延遲和僅2.3納秒左右的寫入延遲，極大地提升了系統(tǒng)的響應(yīng)效率。
此外，低能耗也是MRAM另一大亮點(diǎn)。據(jù)估計(jì)，與同等容量下的DRAM相比，采用MRAM技術(shù)可使系統(tǒng)整體功耗降低達(dá)50%-80%，主要?dú)w因于MRAM無需執(zhí)行周期性的刷新過程以維持?jǐn)?shù)據(jù)完整性。
最后，得益于其與邏輯電路高度兼容的設(shè)計(jì)理念，MRAM允許在同一硅片上無縫集成大量存儲(chǔ)單元與復(fù)雜的計(jì)算模塊，這不僅有助于減小最終產(chǎn)品的物理尺寸，同時(shí)也為提高整體效能、降低成本提供了可能路徑。
因此，隨著技術(shù)不斷成熟及成本持續(xù)下降，預(yù)計(jì)未來幾年內(nèi)我們將見證更多基于MRAM構(gòu)建的創(chuàng)新電子產(chǎn)品問世。
三、ReRAM，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加速
雖然MRAM已然成為傳統(tǒng)嵌入式閃存的流行替代選項(xiàng)，但在極端環(huán)境與條件下，ReRAM的可靠性略遜一籌。
電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（ReRAM）的工作機(jī)制依賴于材料的電阻狀態(tài)變化。在內(nèi)部導(dǎo)體與外部導(dǎo)體間形成的細(xì)小導(dǎo)電路徑內(nèi)，當(dāng)施加特定電壓時(shí)，電子之間的相互作用會(huì)導(dǎo)致該路徑電阻發(fā)生變化，進(jìn)而改變存儲(chǔ)單元的狀態(tài)。這種基于物理特性的轉(zhuǎn)換能夠在極短時(shí)間內(nèi)完成，賦予了ReRAM卓越的數(shù)據(jù)處理速度。
-
ReRAM特點(diǎn)
首先，作為一類非易失性存儲(chǔ)解決方案，ReRAM即使在斷電情況下也能持久保存信息。
其次，ReRAM支持超快速度的數(shù)據(jù)讀取和寫入操作，滿足了對(duì)高性能計(jì)算日益增長的需求。
此外，通過精細(xì)調(diào)控局部區(qū)域內(nèi)的電阻值，ReRAM能夠?qū)崿F(xiàn)前所未有的單位面積存儲(chǔ)容量提升，為構(gòu)建緊湊型大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)提供了可能。
而鑒于其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，ReRAM已在多個(gè)前沿領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用前景。在消費(fèi)電子產(chǎn)品例如智能手機(jī)和平板電腦中，采用ReRAM技術(shù)有助于加速操作系統(tǒng)啟動(dòng)過程及應(yīng)用程序加載時(shí)間，顯著改善用戶體驗(yàn)；對(duì)于數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算平臺(tái)而言，利用ReRAM作為高速緩存層可以大幅度降低延遲并提高整體服務(wù)效率；物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中集成ReRAM不僅能滿足低功耗要求，同時(shí)還能有效存儲(chǔ)來自各種傳感器收集到的數(shù)據(jù)，促進(jìn)智能互聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。
總之，憑借其無與倫比的速度、可靠性和緊湊設(shè)計(jì)，ReRAM正逐漸成為下一代信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不可或缺的關(guān)鍵組件之一。
不論是MRAM還是ReRAM，兩者在密度、能耗效率、可擴(kuò)展性以及整體性能方面均展現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢(shì)，這兩種新型非易失性存儲(chǔ)解決方案不僅能夠提供更高的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度，還具備更低的功耗特性，同時(shí)支持更廣泛的應(yīng)用場景，并且能夠在不犧牲讀寫速度的前提下實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成，從而為下一代計(jì)算平臺(tái)提供了極具吸引力的選擇。
