3D XPoint发展迅速，下一代存储技术之争越来越激烈

目前，业界至少在攻关五种新型内存技术，其中3D XPoint处于领先地位。

随着供应商将一系列新技术推向台前，下一代内存市场之争未火先热，只不过，这些新产品晋身主流还需要克服一些挑战。

多年来，业界一直致力于各种新兴存储技术，包括纳米管RAM、FRAM、MRAM、相变存储器和ReRAM。有的已经开始出货，有的还处于研发阶段。这些新的内存类型各不相同，而且都是针对特定应用，但是它们都号称可以取代当今系统内存/存储器层次结构中的一个或多个传统内存。

SRAM位于内存层次结构的第一层，它被集成到处理器中以实现快速数据访问。第二层是DRAM，是系统主存。之后是用于存储的磁盘驱动器和基于NAND的固态存储（SSD）。

图1：内存层次结构-DRAM/SRAM和Flash器件特性相反，给存储级内存留下了存在空间。

现在的内存和存储器依然有效，但越来越跟不上系统需要的数据和带宽需求。比如，DRAM速度很快还是过于耗电，NAND和硬盘虽然便宜但是速度过慢。

这就是下一代内存的用武之地。这些新的内存类型既有SRAM的速度，又能兼顾flash的非易失性。这些技术的规格固然惊艳，但它们要么进展太慢，要么实现不了其价值主张，或者兼而有之。

实际上，实现这些新的内存类型的大规模量产是一项艰巨的任务。这些内存依赖于新奇的材料和开关机制，使得它们很难制造或者难以在现场正常工作。同时，它们的成本都很昂贵。

总而言之，新的内存仍然是利基产品，但是它们已经取得了一些明显的进步。比如，英特尔正在推出名为3D XPoint的下一代内存，格罗方德、三星、台积电、联电也正在为嵌入式市场开发新的内存类型。 “真正重要的是，逻辑器件晶圆厂正在为嵌入式存储器开发MRAM和阻变式RAM，它们正在努力降低成本，“ObjecTIve Analysis的分析师Jim Handy说。 “它们用在主流内存市场确实成本太高了，这使得它们只能用在愿意花大价钱的地方，因为如果不用这些昂贵器件就无法实现自己的目标。”

传统内存仍然是当今系统应用的主流，但新的内存类型提供了一些可供斟酌的选择。下面，本媒体就和读者分享下一代内存技术的进展。

3D XPoint的崛起

下一代内存技术的演进花了很长时间，但是它们确实取得了一定进展。每种新的内存技术都有一些有趣的特性，均声称可以超越传统内存。

但是，至少从目前来看，这些新的存储器仍然无法取代DRAM、SRAM和Flash。

因为内存的主要衡量指标是性能、密度和成本。比如，传统内存单元的大小等于特征尺寸的平方乘以4，即4F2。而最新的3D NAND器件每个单元有四位（QLC），理论上的单元尺寸等价为1F2。

“因此，如果你想取代NAND，你必须做得比1F2更便宜。据我所知，在我们的有生之年应该都看不到这种替代品了。”碳纳米管RAM开发商Nantero的内存专家和董事会成员Ed Doller说。

为了取代DRAM，新的内存类型不仅要更便宜，还需要构建围绕它的整个生态系统，比如和DRAM兼容的接口和控制器。

如果新的内存类型不会取代传统内存，那它们用在什么地方呢？ Lam Research高级技术总监Alex Yoon在一篇博客中表示，“云计算和最新的移动产品等应用推动了对可结合DRAM内存速度与NAND更高位密度和更低成本的新型内存类别的需求。为了满足这些标准，业界正在探索几项新技术。其中有些针对嵌入式应用，有的专注片上系统（SoC），有的则专注于存储级内存领域。”

现在，新的内存类型已经在内存/存储层次结构中找到了当今内存无法满足其需求的利基市场。有的甚至小幅分蚀了DRAM和Flash的市场份额。但是目前尚不清楚新的内存类型是否会成为主流技术。

图2 存储器架构

仍然没有一种新的内存技术可以满足所有要求，因此，随着时间的推移，客户可能会使用其中一个或多个新内存。“它们都有自己的位置，”ReRAM供应商Crossbar营销和业务开发副总裁Sylvain Dubois说。 “在某些情况下，它们有一定的竞争性，有一些重叠的空间。但是很明显，它们都有不同的定位。”

然而，一项新技术正在冉冉升起，当今内存市场最大的变化就是英特尔和美光开发的下一代技术3D XPoint的崛起。

3D XPoint于2015年正式推出，当其时，它被吹捧为集成了DRAM和NAND各自优点的存储级内存。理论上来说，它应该比NAND快1000倍，耐用性高1，000倍。

但是实际上，3D XPoint的进展不达预期，也没有实现当初承诺的那些技术规格。咨询公司MKW Ventures的负责人 Mark Webb说：“我们知道其中有很大的炒作成分，现实情况有很大不同，但是它的表现仍然非常惊人。3D XPoint产生的收入将超过所有其它新的非易失性存储器。”

事实上，经过几次延迟后，英特尔目前正在爬产SSD和其他基于3D XPoint的产品。 最终，英特尔将在用于服务器的DIMM中部署该技术。 “有了3D XPoint，英特尔推出了全球速度最快的固态硬盘，”韦伯说。 “不过，DIMM再度推迟了。”

据MKW称，3D XPoint的销售额预计将从不久前的零增长到2018年的7.5亿美元。到2020年，3D XPoint的收入预计将达到15亿美元。

相比之下，根据Coughlin Associates和ObjecTIve Analysis的报告，MRAM在2017年的营业额为3600万美元，其它内存类型几乎没有什么收入。

与DRAM和NAND相比，新型内存的收入简直不值一提。根据IC Insights的数据，预计2018年DRAM市场销售额将达到1016亿美元，而NAND将达到4280亿美元。

3D XPoint基于一种被称为相变存储器（PCM）的技术。PCM以非晶相和结晶相存储信息，它可以通过外部电压进行数据位的取反。

图3 3D XPoint存储器架构

3D XPoint器件采用两层堆叠架构，使用20nm工艺可实现128千兆位的密度。MKW表示，它的读取延迟约为125ns，可擦写次数为20万次。

3D XPoint确实速度很快，但并没有达到所声称的NAND的1000倍。“它的成本也远高于NAND，”Webb说。“它并不是DRAM的替代品，而是DRAM的有益补充。”

3D XPoint下一步怎么走？它在DIMM领域存在重大机遇。当英特尔最终推出DIMM时，它们将同时集成3D XPoint和DRAM。“英特尔可以优化处理器和架构，以充分利用3D XPoint的性能特征。”他说。

尽管如此，该技术的未来仍然存在不确定性。英特尔和美光正在分别开发3D NAND和3D XPoint。之前曾经说过，两家公司在完成各自品类的现有产品的开发后，将分道扬镳，独立研究这些技术。

目前还不清楚美光是否会推出3D XPoint器件。到目前为止，美光尚未发布3D XPoint产品，因为该技术似乎与其DRAM和NAND产品互相竞争。

显然，英特尔有资源独自推出3D XPoint器件，但是问题在于英特尔能否用这项技术收回其庞大的研发投资。