DRAM和NAND闪存和其它存储器技术的区别

在 7 月 28 日最近的季度财务更新中，英特尔宣布将使用其收益报告中的一个脚注来关闭其 Optane Persistent Memory 业务。美光拥有一家位于犹他州 Lehi 的生产 Optane 芯片的工厂，美光在今年早些时候将该工厂卖给了德州仪器。可以肯定的是，德州仪器对在犹他州为英特尔制造 Optane 内存不感兴趣。Optane 的终结对任何人来说都不足为奇。

根据Tom Coughlin和Jim Handy这两位关注半导体存储业务潮起潮落的全球最重要分析师的说法，英特尔多年来在 Optane 部件上一直在亏损——平均每季度亏损数亿美元，自 2016 年以来。在 Pat Gelsinger 为英特尔打造的新世界中，多年来一直亏损的产品是他不希望在公司产品组合中出现的产品。

因此，Optane 最终成为了被废弃的存储技术，这些技术过去一度被看作将挑战 DRAM 和 NAND 闪存，以统治世界。许多公司过去也试图开发许多替代半导体存储器技术，但它们都未能获得与 DRAM 和 NAND 闪存相比可观的市场份额。然而，这并不意味着公司不会继续尝试，因为回报是巨大的。

这个市场上已经有几场比赛，其中大多数内存技术都涉及某种非易失性内存，它以一种或多种关键方式改进了 NAND 闪存。我一直对半导体制造商用来创造新的“新兴”类型存储器的各种物理现象着迷，而且不止如此。Coughlin 和 Handy 在一份题为“新兴存储器进入下一阶段”的新报告中总结了这几种新的和不同的存储器技术，他们一直在研究更新版本，以涵盖英特尔退出 Optane 业务的情况。该新版本应该在本文出现时可用，因此您应该检查一下。

许多这些新的内存技术可能首先用作嵌入式内存，用 CMOS 逻辑放置在芯片上，但由于涉及的单位体积，所有这些内存工作的圣杯是“存储级内存”的开发，这需要像 NAND 闪存一样是非易失性存储器，但与 DRAM 一样快或最好比 DRAM 快，因此两种现有的存储器类型都可以被一种新类型取代。这是一项艰巨的任务，需要满足，但尚未实现。同时，这里是三种新兴内存技术的漫步，以及我使用它们的一些经验。

铁电 RAM (FeRAM, FRAM)

FRAM 是我在 1980 年代第一次开始为电子出版物写作时遇到的第一个新的内存技术。根据 Coughlin 和 Handy 的报告，铁电存储器发明于 1952 年，1955 年，贝尔实验室构建了一个集成的 256 位 FRAM 阵列，作为一个没有有源半导体元件的单片设备，三年前 Jack Kilby 拼凑并在德州仪器公司发明了第一个集成电路。根据 Coughlin 和 Handy 的说法，Ramtron 在 FRAM 上进行了早期的商业化工作。他们写：

“FRAM 的单位销量似乎超过了所有其他新兴内存类型的总和。富士通在其用于地铁票价卡的 RFID 芯片中使用了 FRAM，迄今为止已售出超过 40 亿个此类芯片。”

FRAM 利用某些晶格的独特物理特性。在这些铁电材料中，一个原子可以占据晶格内两个稳定位置之一。电场将晶格内的移动原子移动到两个稳定位置之一，具体取决于电场的极性，并且某些物理特性（可能是电容或电阻）会根据被捕获原子的位置而变化。

任何类型的 40 亿芯片都是很多芯片，即使它被用作地铁票价代币，那么为什么 FRAM 在这么长时间和交付了所有这些数十亿芯片之后仍然不为人知？半导体工厂经理不太喜欢铁电材料，因为它们包含元素周期表元素，如铅或铋，很容易污染工厂。因此，FRAM 作为非易失性嵌入式片上存储器的用途有限。

Coughlin 和 Handy 的报告提到，氧化铪和氧化锆也可以配制成表现出铁电特性，而且这些材料由于其他原因已经在晶圆厂中使用，因此 FRAM 的未来故事很可能会继续。

电阻式 RAM

（RRAM、ReRAM、忆阻器）

1971 年，加州大学伯克利分校的 Leon Chua 写了一篇题为“忆阻器——缺失的电路元件”的理论论文。该论文描述了第四种基本的无源电子设备忆阻器，它根据之前流过设备的电荷量来调节通过自身的电流。Chua 没有制造这样的设备。早在 1971 年，忆阻器只是理论上的。这是一个假设的设备，满足了用于描述其他三个基本无源电子元件行为的方程式中明显的对称性需求：电阻器、电容器和电感器。忆阻器在理论上存在，但在实践中并不存在。

这一切都在2008 年发生了变化，当时惠普实验室宣布它已经成功地用二氧化钛制造了一个忆阻器，并且忆阻器是可用于存储模拟或数字数据的非二进制设备。这是一个激动人心的公告，人们很快就预测 DRAM 即将消亡，取而代之的是电阻式存储器或 RRAM 形式的忆阻器。此外，惠普表示，它将在其即将推出的登月计算机The Machine中使用 RRAM。

到 2015 年，惠普已经退缩并表示将在 The Machine 中使用 DRAM 而不是忆阻器。在惠普宣布忆阻器 15 年后，RRAM 革命尚未发生，而且似乎不会很快发生。Coughlin 和 Handy 的报告详细介绍了 RRAM/ReRAM 的几项工作，而 RRAM 的时代可能还没有到来——现在很快，毫无疑问。

相变存储器 (PCM)

相变存储器或 PCM 使用材料的一些主要物理转变——例如结晶态和非晶态之间的转变——以及相关的电气特性变化——来存储数据。根据其历史，Optane 内存很可能是一种 PCM。Optane 的根源可以追溯到多产的发明家 Stanford Ovshinsky，他花了几十年的时间研究非晶半导体的特性和用途。我记得在 1970 年代初，我和我的朋友兼大学同学 Jim Blike 讨论过 Ovshinsky 的作品。他对 Ovshinsky 的开创性工作感到非常兴奋。

Ovshinsky 于 1960 年创立了 Energy Conversion Laboratories，以研究无定形材料及其相变特性。该实验室于 1964 年成为能量转换设备 (ECD)，而 Ovshinsky 的众多创新之一是以他自己的名字命名的 Ovonics 相变存储器。英特尔和美光最终与 Ovshinsky 和 ECD 合作，获得了 Ovonics Phase-Change Memory 知识产权的许可，并在 2015 年大张旗鼓地宣布了 3D XPoint PCM。

美光和英特尔在 3D XPoint PCM 上投入了大量精力并引起了人们的兴趣，但我似乎记得，该技术报告的早期问题之一是适度的热量可以使 PCM 存储单元中的位退火，并且有数据中心服务器内部有大量可用热量。这个热量问题意味着 PCM 可能需要像 DRAM 一样进行刷新。根据环境温度有多热，刷新周期可能需要相当频繁，大约几秒钟。但是，我最近没有听到太多关于这个问题的消息，所以也许它已经解决了。

尚未克服的问题是每比特的相对成本。英特尔在 Optane 存储设备上的亏损以及美光先前退出 3D XPoint 合资企业证明，即使是英特尔和美光这样的主要半导体制造商也很难让 PCM 具有价格竞争力，即使背后有十年的研发努力。

磁性内存 (MRAM)

我必须承认，我对磁记忆有着特殊的亲和力。第一台使用磁存储器的计算机是 MIT Whirlwind 计算机项目，它在 1953 年 8 月 8 日获得了世界上第一个磁芯存储器。在接下来的二十年里，磁芯内存完全主导了计算机内存空间。然而，英特尔在 1970 年末推出了第一个商业上可行的半导体 DRAM 1103，为磁芯存储器敲响了丧钟。

核心内存仍然是一种手工编织的产品，因此价格昂贵。尽管公司确实尝试过，但它拒绝了一切使其制造自动化的努力。他们只是失败了。与此同时，半导体 DRAM 利用了使集成电路成为电子行业驱动力的大规模生产制造技术，首先是光刻技术。磁芯记忆似乎在一夜之间消失了。到 1975 年，DRAM 明显统治了内存。

多年来，磁存储器一直让技术人员着迷。英特尔、西部电气、德州仪器、罗克韦尔、美国国家半导体、日立、西屋、摩托罗拉、富士通和夏普都在 1970 年代后期开始尝试将磁泡存储器商业化，但都失败了。IBM 从 2000 年代初开始开发 Racetrack 内存，这是一种更新的 1 维版本的内存。还没有。即使这些磁存储器技术中的一种成功了，它们也是串行存储器，因此相对较慢且仅适用于磁盘更换，或者目前仅用于更换基于 NAND 闪存的 SSD。

磁性 RAM，MRAM，试图将基于光刻的半导体生产的大规模制造技术与磁位存储相结合。非易失性 MRAM 现已作为 Everspin Technologies 的商业产品提供。至少十年来，我一直在写关于那家公司的文章。Everspin 说它已经售出了数百万个 MRAM 芯片。这远不及 DRAM 和 NAND 闪存单元的数量，但也不是没有。

然而，与 DRAM 和 NAND 闪存芯片相比，MRAM 有两个显著的竞争问题：每个芯片的位密度和成本。MRAM 供应商正在尝试各种方法来克服这些竞争挑战。最新的希望被称为 STT (Spin Torque Transfer) MRAM。Coughlin 和 Handy 的报告提供了包括 STT MRAM 在内的九种不同类型 MRAM 的大量技术细节。

也许四种新兴内存类型（FRAM、RRAM、PCM 或 MRAM）中的一种将成为存储类内存的圣杯。也许它会是其他一些内存技术。也许像星际迷航的等线性芯片，不管它们是什么。时间会证明一切。

编辑：黄飞