超越NAND闪存的新一代内存技术

虽然NAND闪存可能在2020年末引领企业级固态存储的蓬勃发展，不过这种技术潜在的对手已经出现，并开始获得业内关注。这些技术包括相变内存(PCM)、磁阻随机存取内存(MRAM)和电阻式随机存取内存(RRAM)。

在过去的数年中，这些新兴的内存技术发展迅速，在性能和产品使用时间方面都远远超过了现有的技术水平。

举例来说，IBM研究所在今年夏天宣布基于热能的PCM在未来的某一天或许可以让系统吞吐数据的速度较现有的NAND闪存提升100倍，并且保持至少10,000,000次的写周期，这较目前企业级多层单元(eMLC)闪存30,000次的写周期是指数级别的改善。

在为期6个月监测PCM材质单元的稳定性后，IBM位于苏黎世的调研实验室宣布其在单个单元中实现了多位数据的可靠存储。Haris Pozidis是IBM在苏黎世研究所中存储和探测技术的负责人，他说多层单元(MLC)的PCM在2016年可以用于企业级服务器和存储系统。他表示这项技术非常适用于“大数据”的分析和云计算等应用。

不过这种预测还基于某种前提。Pozidis表示这一进度还取决于移动电话和内存制造厂商在未来几年中是否将MLC-PCM作为闪存的替代品。

由于IBM并没有内存设备或固态存储驱动器业务，其依赖外部的供应商来为IBM的MLC-PCM提供许可和产品。Pozidis说IBM很期待这一产品的出现，但他同时表示这件事并不是完全确定的。
PCM和“赛道存储”

PCM只是IBM所推崇的内存技术之一。而其位于加利福尼亚的阿尔马登的研究中心正在推动另一项磁道技术，称为“赛道存储”，这种技术将磁性数据块在纳米线所组成的“赛道”上来回运动，进行数据存储。

在IBM网站上发表的一篇题为《图标的发展》的故事中，该公司宣布了赛道存储，以及三维微型集成进电路“有可能会取代几乎所有的存储数据存储方式“。这项技术可以使得移动电话、笔记本和业务级别的服务器存储100倍的数据，并且提供更快速的存取访问速度。

Stuart Parkin是IBM位于阿尔马登研究所自旋电子学组的负责人，其表示这项技术较传统闪存提供了更多的优势，其中包括永无磨损和写操作限制，而且价格和NAND旗鼓相当。他预言应用这项技术的产品会在5年或7年后出现，这和PCM可能出现的时间段相当。

不过，IBM的Pozidis表示PCM较赛道存储会“更快出现”并“具备更多的优势特征”。

虽然IBM每年在其知识产权上的许可证费用超过10亿美元，并且公司一直致力于各项有前景的存储新技术，但其来自PCM和赛道存储方面的信息仍无法明确哪一项技术将会取代NAND闪存技术。
“我并不完全相信IBM所说的，”安大略省纽约市Forward Insights公司的创始人和首席分析师Greg Wong说，“假如他们的业务是生产这类存储，并且将其商业化，这可能是另一回事。不过他们并没有实际参与到这类项目中。”

PCMS，STT-MRAM和RRAM

大部分参与到这项游戏中的半导体生产商正在探索多项技术，包括PCM，MRAM和RRAM。不过除非这项替代品可以达到NAND这一水平的成本，否则该技术就无法在企业级存储上成为NAND真正的竞争对手，无论其技术有多领先。

“价格最接近的技术价格可能也是NAND的5倍以上，”美光技术公司NAND解决方案事业本部的市场总监Kevin Kilbuck在评论研究可替代技术的公司时提到。

同时，美光致力于多个领域，其中包括PCM(通过其在2010年收购恒忆半导体)以及自旋注入式磁化反转型MRAM(STT-MRAM)。Kilbuck说某些技术可能会作为NAND闪存的补充。
“这些技术各有优势，”Kilbuck说，“很难讲哪一项会胜出。”

Troy Winslow是英特尔公司非易失性内存解决方案事业本部的产品市场部总监，他通过电子邮件表示英特尔认为堆栈式PCM的变体，称为变相存储开关，为PCM单元层分配一个双向阈值开关，可以在企业级系统中发挥较MRAM更大的潜力。

英特尔和恒忆半导体在2009年宣布其证实了一块64Mb的测试芯片可以在一块晶体盘中堆栈成多层的PCM阵列层，这为存储更大容量，更高性能和扩展性，以及更低能耗的实现进行了铺垫。

不过，Winslow补充道，“NAND仍将企业级解决方案中保持长久的生命力。及时在几年内出现某种新技术，技术迁移也会花费数年。”

在2011年7月，海力士半导体公司和东芝公司发布了一则联合通告，关于其共同开发STT-MRAM的协议，两家公司认为这项技术因为其在速度，容量和功耗方面的优势，非常适合于智能电话。东芝拒绝提供更多的评论，不过其他公司则认为STT-MRAM最终也会在企业级系统中得以应用。

之后的一个月，三星电子有限公司宣布其对Grandis公司的收购，这表示三星公司也开始致力于STT-MRAM。三星将Grandis并入研发运营团队，不过STT-MRAM只是该公司投资的多项取代NAND技术中的一种。

“三星，这个全球最大的NAND供应商，在尝试晚所有方式之前是不会轻易让NAND被淘汰的，”科罗拉多州Silverton咨询公司的创始人和总裁Ray Lucchesi说，“NAND背后有太多的公司和利益，这项技术并不会轻易逝去。”

即便在长期角度上看，Forward Insight的Wong也并不认为MRAM或堆栈式变体PCM的价格可以和NAND那样。他说供应商目前都在希望用PCM和MRAM来补充或替换部分的DRAM，从本质上作为一种非易失性RAM，可以在掉电的情况下保持数据，而不像DRAM那样。他说这项技术在对于随机写操作敏感的工作负荷环境下极其有用，这种工作环境要求高I/O，比如数据库和财务应用。

不过，根据Wong的说法，RRAM比PCM或MRAM更有可能取代NAND。他说所有主要内存厂商都致力于RRAM，其工作原理在于电气两级变化电阻。HP公司有另一项名称，记忆电阻器。

“从理论上讲，RRAM是影响可扩展的技术，”Wong说，“不过对于任何一项要取代NAND的技术都必需可以进行堆栈，这在根本上是项挑战。

后继者也会受到NAND闪存技术外延的影响

与此同时，预测哪项技术更有希望成为取代NAND闪存变得非常困难，因为在这项技术首次出现后，NAND闪存本身比业内预期的获取了更长的生命周期，“这些实验室里的天才们不断采取方式推动这项技术，哪怕只有额外的一两步工序，他们这样持续做了几乎10年，”加利福尼亚州洛斯加托斯的Object Analysis的创立者和首席分析师Jim Handy说，“谁敢说他们不会继续这样做上另外10年呢?”

Handy回顾了一份2003年英特尔开发者大会上的演讲稿，当时一名高级管理人员宣称NAND闪存无法超越60纳米的工艺水平。不过英特尔和美光科技持续将这种技术工艺从50纳米提升至34纳米，25纳米，直至现在的20纳米。Handy预期闪存会最终缩小到10纳米，并停止在大约8纳米这一极限值上。

通过工艺的提升带来了巨大的成本下降。将2个字节封装在每个单元的MLC或新兴的消费级的3层单元(TLC)闪存也降低了成本。不过这种创新也带来了负面效果，比如耐久度，性能和稳定性的降低。

到目前为止，生产商已经能够将2个字节的MLC NAND闪存应用在企业及数据存储中，并通过复杂的控制技术，误差纠正吗(ECC)和磨损测量技术进行补充。不过，由于受限于目前的晶体管技术，恐怕很难再有更多控制技术。

还有一种可能延续闪存生命周期的技术就是3D NAND，这种技术从三个维度堆栈内存单元。美光科技的Kilbuck将其比作一幢多层的办公楼，而非二维的NAND闪存那种在一个平面铺开的单层办公楼。

“目前针对二维的NAND单元何时会达到其扩展极限，业内尚有很多争论，”Kilbuck说，“我听到有人说还会有好几十年，也有人说会在几年内NAND就会按比例缩小，我们不得不转向诸如3D NAND之类的技术。”

Kilbuck也表示业内无法预计3D技术会面临怎样的挑战，并且其会延长NAND多久的生命周期，所有这些都要等到3D NAND大量生产后才会有分晓。

“闪存可扩展性的终结是每个人都担心的事情，这也是为什么他们转向其它技术的原因，”Object Analysis的Handy说。不过他认为现在断言PCM、MRAM、RRAM还是其它技术会胜出还为时过早。“假如NAND闪存在衰退之前还有另外10年的生命周期，那就意味着这些技术黑马还要等上10年才能有机会成为市场主导者。”