几年前，IDC预测，到2025年，普通人每天将与联网设备交互4800次。这些传感器注入的信息将促进机器学习、语言处理和人工智能，这些都需要快速存储和更多的计算能力。下一代内存技术将解决当今存储层次结构中的差距，并在需要实时处理的地方提供数据。
新兴的内存技术有望将大量数据保存在处理器附近，而不会导致SRAM和DRAM的高成本或高功耗。其中大多数是非易失性的，如SSD中的NAND闪存，比连接到NVMe的固态驱动器快得多。
在这个由两部分组成的系列的第一部分中，我们将研究三种技术来解决即将到来的大数据瓶颈：英特尔的Optane、两种类型的磁阻RAM(MRAM)和电阻式随机存取存储器(ReRAM)。第二部分将介绍纳米管随机存储器、铁电随机存储器和相变存储器。
新内存技术的主要优势英特尔Optane DC永久内存：针对数据中心工作负载调整的非易失性高容量内存。它可以通过内存操作或块存储来访问。MRAM:非易失性存储器，可以完全断电，然后快速唤醒，以便在物联网应用中快速写入。ReRAM:致力于弥合数据中心DRAM和闪存之间的差距。将整个数据库存储在快速且非易失性的ReRAM中将完全改变内存计算。奠定大数据基础的问题在于，计算性能正以数据访问技术无法比拟的速度提升。当大型并行CPU或特殊加速器耗尽缓存或快速系统内存时，它们被迫进入慢速的基于磁盘的存储，以使字节紧凑并(相对)研磨到停止。更大的SRAM高速缓存有助于保持热数据在手边，而足够的DRAM为内存计算带来奇迹。但是，这两种类型的存储设备都很贵。它们本质上是易变的，需要持续的能力来保留数据。将这两种方法相加，并不是解决等待实时分析的海量数据的经济方法。
英特尔高级副总裁兼非易失性存储器解决方案部门总经理Rob Crooke总结了这一基本挑战：“DRAM的容量不足以解决当今的实时数据分析问题，传统存储的速度也不够快。”
上图：新兴的内存技术有助于缩小闪存(虽然容量大但相对较慢)和DRAM(但容量更有限)之间的差距。
该公司的Optane技术适用于不断扩展的系统内存和基于闪存的固态硬盘、潜力提升分析、人工智能和内容交付网络之间的差距。DRAM非常适合内存处理，但是容量有限。SSD可以扩展到大规模部署，每GB成本低很多。他们只是没有实时事务操作的性能。Optane旨在连接这两个世界。
Optane采用了一种独特的架构，由堆叠在密集三维矩阵中的可单独寻址的存储单元组成。英特尔没有说明其基于Optane的设备中的技术。然而，我们确实知道Optane可以像DRAM或SSD一样工作，这取决于它的配置。
上图：英特尔的Optane DC永久存储模块插入主板的DIMM插槽时，可以增加128GB至512GB的高速非易失性存储。
英特尔的Optane DC持久性存储器被放入连接到CPU内存控制器的标准DIMM插槽中。可提供最大512GB的容量，可容纳的数据量是最大DDR4模块的数倍。当电源关闭时，将保留在App Direct模式下运行的Optane DC永久内存DIMM的信息。相反，DRAM等易失性存储技术，如果不经常刷新，会很快丢失数据。该软件确实需要针对英特尔技术进行优化。但是，适当的调优允许性能受限的应用程序以低延迟的内存操作来访问Optane DC永久内存。
此外，DIMM还可以用于内存模式，与易失性内存共存，扩展容量。Optane DC永久内存可以部署在内存模式下，无需重写软件。
这项技术也可以用于英特尔所谓的“应用直接存储模式”，在这种模式下，可以通过标准的文件API访问永久内存地址空间。期望块存储的应用程序可以访问Optane DC永久存储模块的App Direct区域，无需任何特殊优化。与通过I/O总线移动数据相比，这具有更高性能的优点。
无论应用程序如何使用Optane DC永久内存，这项技术的优势是相同的：容量，性能和持久性。将云和基础设施视为服务的内存密集型数据中心应用是直接受益者。内存数据库、存储缓存层、网络功能虚拟化也是如此。
MRAM在边缘上显示出希望，Optane主要针对数据中心，而磁阻RAM或MRAM在各种物联网设备上显示出希望——IDC表示，传感器很快将每天触摸数千次。
请考虑应用材料部记忆部总经理摩哂陀帕卡拉博士博客中的例子。它使用了一个具有语音和面部识别功能的安全摄像头，作为MRAM工作良好的例子。你希望相机在边缘处理尽可能多的数据，只上传重要信息到云端。然而，功耗至关重要。据Pakala博士介绍，如今的边缘设备主要使用SRAM存储器，每个单元最多使用6个晶体管，并将遭受高有源泄漏功率，从而降低效率。作为替代方案，MRAM承诺将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、更紧凑的芯片和更低的功耗对于任何在边缘处理的人来说都是一个胜利。
MRAM的数据由一个磁性元件存储，该磁性元件由一对铁磁板形成，并由一个薄的电介质隧道绝缘体隔开。一个极板的极性是永久设定的，而另一个磁极的磁化强度发生变化，以存储0和1。这些板块一起形成了一个磁隧道结(MTJ)。这些成为存储设备的基础。
像Optane DC永久记忆，MRAM是非易失性的。MRAM技术的领导者之一Everspin Technologies表示，存储在MRAM中的数据可以在该温度下保存20年。MRAM也很快。Everspin宣称同步读写延迟在35ns以内。这接近于SRAM的夸张性能，以至于MRAM可以取代今天几乎任何易失性存储器。
密度是传统MRAM缺少DRAM和闪存的地方。Everspin最近发布了一款32Mb的设备。但相比之下，每单元最大的4位NAND组件提供了4Tb的密度。MRAM之所以在物联网和工业应用中脱颖而出，更多的原因是其性能、耐用性和无限耐久性足以弥补容量的不足。
上图：Everspin最新的1Gb自旋转移扭矩MRAM设备针对需要高容量、低延迟和耐用性的企业和计算应用。
自旋转移矩(STT-MRAM)是磁阻技术的一种变体，它通过用极化电流操纵电子自旋来工作。与MRAM相比，其机制需要更少的开关能量，从而降低功耗。STT-MRAM还具有更强的可扩展性。Everspin的独立设备提供256Mb和1Gb的密度。像群联这样的公司可以将其中一个放在其闪存控制器旁边，并获得出色的缓存性能，以及电源故障保护的额外优势。你不必担心购买内置电池备份的固态硬盘。正在进行的数据传输将始终是安全的，即使在意外关机的情况下。
英特尔、TSMC和UMC等代工厂对STT-MRAM感兴趣的另一个原因是，他们希望将其嵌入到他们的微控制器中。目前在这些设计中使用的NOR闪存难以扩展到更小的制造节点，并且MRAM的集成更经济。事实上，英特尔已经发表了一篇论文，展示了其22纳米FinFET低功耗工艺和生产就绪的7.2Mb MRAM阵列。该公司表示，MRAM作为嵌入式非易失性存储器，是对片上启动数据有要求的物联网、FPGA和芯片组的潜在解决方案。
ReRAM可能是内存中计算的答案。在宣布成功整合MRAM和22FFL制造的几个月后，英特尔在国际固态电路大会上推出了嵌入相同处理节点的3.6Mb电阻式随机存取存储器(ReRAM)宏。
ReRAM是另一种非易失性存储器，号称功耗低，密度性能高，可以放在DRAM和基于闪存的存储之间。然而，虽然MRAM的特性预测了物联网设备的寿命，但ReRAM正在为数据中心的事业做准备，以缩小服务器内存和SSD的差距。
上图：Crossbar的ReRAM技术：在两个电极之间的电介质中形成纳米纤维，并通过不同的电压电平复位，从而形成低阻和高阻路径。
许多公司正在使用各种材料开发ReRAM。例如，Crossbar的ReRAM技术使用夹在顶部和底部电极之间的硅基开关材料。当在电极之间施加电压时，纳米线将在电介质中形成，从而形成低电阻路径。然后灯丝可以通过另一个电压复位。英特尔在氧交换层下使用了氧化钽高电介质，从而在其电极之间产生了一个空缺。这两个单元的组成不同，但执行相同的功能，提供比NAND闪存快许多倍的读写性能。
应用材料公司的帕卡拉博士表示，ReRAM似乎是内存计算中最可行的存储技术，其中数据存储在RAM中，而不是磁盘上的数据库。“利用欧姆定律和基尔霍夫定律，可以在阵列中完成矩阵乘法，而无需将权重移入或移出芯片。多级单元架构有望将存储密度提高到一个新的水平，从而可以设计和使用更大的模型。”在DRAM中处理这些模型的成本非常高，这就是为什么ReRAM的成本优势如此令人鼓舞。
上图：CrossBar的ReRAM可以嵌入SoC，实现片上快速非易失性存储。
最好的还在后头。从工厂车间到数据中心，都需要一种全新的存储方式，在不花费大量资金的情况下，充分利用计算资源。Energias市场研究公司预测，从现在到2025年，MRAM市场将快速增长，复合年增长率为49.6%，达到12亿美元。库格林联合公司预测，到2028年，3D XPoint内存作为Optane的核心技术，将推动收入超过160亿美元。显然，需要新的存储器来解决闪存、DRAM和SRAM的即将到来的限制。
不一定只有一个赢家。这三种新兴的存储器类型可以在存储层级的所有级别上共存，并且具有共同的目标：确保即将到来的数据泛滥不会淹没现有的访问技术。在采用第二代至强可扩展处理器的服务器中，英特尔的Optane DC永久内存已经非常丰富。MRAM与SSD控制器一起使用，取代DRAM的写缓存。得益于应用材料公司的Endura Impulse光伏量产系统，ReRAM比以往更加可行。如果你认真对待处理大量数据，接下来的五年将是至关重要的。现在是时候开始权衡你的选择了。
