前言:实现硬件方面的复兴,才能充分挖掘人工智能时代的潜力。在性能、功耗和密度(面积/成本)方面得到显著改善的新兴存储可以满足边缘计算、近边缘和云计算的需求。

作者 | 方文

预计在接下来的十年中,两种新兴的非易失性存储器类型(PCM和MRAM)将在独立存储器中处于领先地位。

传统存储芯片到达技术节点

存储器产业如今形成了DRAM芯片、NADA Flash芯片、特殊存储器三个相对独立的市场。

然而,随着摩尔定律的延伸,技术需求也越来越高,传统存储芯片的弊端也逐渐开始显现。

随着芯片技术节点接近其物理极限,电容器中电子数量的减少,使DRAM存储器更容易受到外部电荷的影响;Flash在工作时面临严重的串扰问题,从而缩短其使用寿命;SRAM在信噪比和软故障方面也存在问题。

此外,当芯片制程小于28nm时,这些问题会变得更加严重。

AI时代结构设计的变化影响了逻辑和存储。机器学习算法大量使用了矩阵乘法运算,而这些运算在通用逻辑中十分繁琐,这推动了加速器及存储器的发展。

性能和功耗在云计算和边缘计算应用场景中,SRAM和DRAM作为“工作内存”的一个主要缺点是,它们是易失的,需要持续供电来保存数据(比如权重)。

主要的新存储器候选是磁性随机存取存储器(MRAM)、相变存储器(PCRAM)。

这两种存储器都采用了新的材料,可以被设计成高电阻率和低电阻率,而高电阻率和低电阻率又分别代表0和1。

MRAM通过改变磁性方向来控制电阻率;PCRAM利用材料从无定形到结晶的排列变化。

PCRAM:云计算架构的主要候选者

因为PCRAM比DRAM提供更低的功耗和成本,并且比固态硬盘和硬盘驱动器具有更高的性能。

PCRAM甚至是铁电场效应晶体管(FeFETs)都是很好的选择,因为它们都有实现每单元存储多bit的潜力。

近年来,非易失性存储技术在许多方面都取得了一些重大进展,为计算机系统的存储能效提升带来了新的契机,采用新型非易失性存储技术来替代传统的存储技术可以适应计算机技术发展对高存储能效的需求。

PCRAM像所有新兴存储器一样,但是如果是和看好MRAM(磁性随机存储器)的人讨论,当然会说MRAM适用于各种用途,而PCRAM则否,反之亦然。

与商业化程度更高的MRAM相比,PCRAM扩展的潜力是其最吸引人的特点之一。MRAM中存储单元的面积大约是PCRAM中的10倍。

这意味着相同字节大小的情况下,前者的单元数量要少得多,因此MRAM的可扩展性非常值得怀疑。

虽然 PCM 存储器技术看似即将成熟,但到普及恐怕还需要一点时间,但为了因应新兴科技的发展,高速储存装置仍然是不可或缺的技术,也是市场关注焦点。

目前,国际上仅有三星、英特尔等推出了相关产品,但多为非嵌入式相变存储器产品。

今年8月时代全芯发布了基于相变材料的2兆位可编程只读相变存储器产品“溥元611”。

这是国内首款商业化量产的相变存储产品,其发布标志着AMT已成为全球继美光、三星之后少数几个掌握相变存储器研发、生产工艺和自主知识产权的公司。

MRAM在边缘展现出优势

作为一种替代方案,MRAM承诺将使晶体管密度提高数倍,从而实现更高的存储密度或更小的芯片尺寸。

MRAM的另一个关键特性是它可以被设计成嵌入式系统芯片产品的后端互连层。MRAM可用于存储SOC的操作系统和应用程序,从而消除了为此目的而使用嵌入式闪存芯片的需要,从而降低了系统芯片总数和成本。

高性能的“近边缘”应用场景,如缺陷检测和医学筛选,需要更高的性能。一种被称为自旋轨道转矩MRAM (SOT-MRAM)的MRAM变体可能被证明比自旋转矩转移MRAM (STT-MRAM)更快、更低功耗。

如今的边缘设备主要使用的是SRAM存储器,这种存储器每个cell最多可使用6个晶体管,而且可能会受到高有源漏电功率的影响,从而影响效率。

作为一种替代方案,MRAM可以将使晶体管密度提高数倍,从而实现更高的存储密度或更小的芯片尺寸。

更大的容量,更紧凑的芯片,更低的功耗,听起来像是所有处于边缘处理器的胜利。

这接近于SRAM所“吹嘘”的性能,使得MRAM成为当今几乎所有易失性存储器的有吸引力的替代品。

与传统的DRAM和闪存相比,MRAM的一个明显差距在其容量方面。如Everspin最近发布了一个32Mb的设备。

但相比之下,最大的每单元4位的NAND部件提供了4Tb的密度。但MRAM更有理由在物联网和工业应用领域脱颖而出,因为其性能、持久性和无限的续航能力足以弥补其容量的不足。

这样的可能性使我们可以预见到未来有望出现新型的、功能大大提升的单芯片系统这一美好前景。

当前的计算架构下MRAM不会成为主流

在当前的计算架构下,逻辑和存储处于分离状态,现有的晶体管技术已经能够实现几个纳米制程,包含数十亿个晶体管的逻辑电路,同时现有的存储能够以足够低的成本做到TB量级。

在逻辑或者存储方面,自旋芯片都无法替代现有的主流芯片,只能应用于某些特定需求的领域。

尽管有些人已经发现嵌入式技术在商业上取得了一定程度的成功,但它们也落后于离散存储器的高性价比替代方案。尽管具有更高的性能,耐用性和保留性,或者降低了功耗。

尽管MRAM已经在离散应用的嵌入式市场中取得了一些成功,甚至证明它可以处理汽车应用的极端环境,但MRAM仍然是一个利基存储器。

结尾:

目前尚不清楚哪种当前或下一代内存技术是赢家。也许所有技术都拥有一席之地。

总而言之,在下一代存储器中,哪一类更适合于AI边缘应用尚无共识。业界继续探索当前和未来的选择。