雖然NAND閃存可能在2020年末引領(lǐng)企業(yè)級(jí)固態(tài)存儲(chǔ)的蓬勃發(fā)展，不過(guò)這種技術(shù)潛在的對(duì)手已經(jīng)出現(xiàn)，并開(kāi)始獲得業(yè)內(nèi)關(guān)注。這些技術(shù)包括相變內(nèi)存(PCM)、磁阻隨機(jī)存取內(nèi)存(MRAM)和電阻式隨機(jī)存取內(nèi)存(RRAM)。

在過(guò)去的數(shù)年中，這些新興的內(nèi)存技術(shù)發(fā)展迅速，在性能和產(chǎn)品使用時(shí)間方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了現(xiàn)有的技術(shù)水平。

舉例來(lái)說(shuō)，IBM研究所在今年夏天宣布基于熱能的PCM在未來(lái)的某一天或許可以讓系統(tǒng)吞吐數(shù)據(jù)的速度較現(xiàn)有的NAND閃存提升100倍，并且保持至少10,000,000次的寫(xiě)周期，這較目前企業(yè)級(jí)多層單元(eMLC)閃存30,000次的寫(xiě)周期是指數(shù)級(jí)別的改善。

在為期6個(gè)月監(jiān)測(cè)PCM材質(zhì)單元的穩(wěn)定性后，IBM位于蘇黎世的調(diào)研實(shí)驗(yàn)室宣布其在單個(gè)單元中實(shí)現(xiàn)了多位數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)。Haris Pozidis是IBM在蘇黎世研究所中存儲(chǔ)和探測(cè)技術(shù)的負(fù)責(zé)人，他說(shuō)多層單元(MLC)的PCM在2016年可以用于企業(yè)級(jí)服務(wù)器和存儲(chǔ)系統(tǒng)。他表示這項(xiàng)技術(shù)非常適用于“大數(shù)據(jù)”的分析和云計(jì)算等應(yīng)用。

不過(guò)這種預(yù)測(cè)還基于某種前提。Pozidis表示這一進(jìn)度還取決于移動(dòng)電話(huà)和內(nèi)存制造廠商在未來(lái)幾年中是否將MLC-PCM作為閃存的替代品。

由于IBM并沒(méi)有內(nèi)存設(shè)備或固態(tài)存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器業(yè)務(wù)，其依賴(lài)外部的供應(yīng)商來(lái)為IBM的MLC-PCM提供許可和產(chǎn)品。Pozidis說(shuō)IBM很期待這一產(chǎn)品的出現(xiàn)，但他同時(shí)表示這件事并不是完全確定的。
PCM和“賽道存儲(chǔ)”

PCM只是IBM所推崇的內(nèi)存技術(shù)之一。而其位于加利福尼亞的阿爾馬登的研究中心正在推動(dòng)另一項(xiàng)磁道技術(shù)，稱(chēng)為“賽道存儲(chǔ)”，這種技術(shù)將磁性數(shù)據(jù)塊在納米線所組成的“賽道”上來(lái)回運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

在IBM網(wǎng)站上發(fā)表的一篇題為《圖標(biāo)的發(fā)展》的故事中，該公司宣布了賽道存儲(chǔ)，以及三維微型集成進(jìn)電路“有可能會(huì)取代幾乎所有的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式“。這項(xiàng)技術(shù)可以使得移動(dòng)電話(huà)、筆記本和業(yè)務(wù)級(jí)別的服務(wù)器存儲(chǔ)100倍的數(shù)據(jù)，并且提供更快速的存取訪問(wèn)速度。

Stuart Parkin是IBM位于阿爾馬登研究所自旋電子學(xué)組的負(fù)責(zé)人，其表示這項(xiàng)技術(shù)較傳統(tǒng)閃存提供了更多的優(yōu)勢(shì)，其中包括永無(wú)磨損和寫(xiě)操作限制，而且價(jià)格和NAND旗鼓相當(dāng)。他預(yù)言應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)品會(huì)在5年或7年后出現(xiàn)，這和PCM可能出現(xiàn)的時(shí)間段相當(dāng)。

不過(guò)，IBM的Pozidis表示PCM較賽道存儲(chǔ)會(huì)“更快出現(xiàn)”并“具備更多的優(yōu)勢(shì)特征”。

雖然IBM每年在其知識(shí)產(chǎn)權(quán)上的許可證費(fèi)用超過(guò)10億美元，并且公司一直致力于各項(xiàng)有前景的存儲(chǔ)新技術(shù)，但其來(lái)自PCM和賽道存儲(chǔ)方面的信息仍無(wú)法明確哪一項(xiàng)技術(shù)將會(huì)取代NAND閃存技術(shù)。
“我并不完全相信IBM所說(shuō)的，”安大略省紐約市Forward Insights公司的創(chuàng)始人和首席分析師Greg Wong說(shuō)，“假如他們的業(yè)務(wù)是生產(chǎn)這類(lèi)存儲(chǔ)，并且將其商業(yè)化，這可能是另一回事。不過(guò)他們并沒(méi)有實(shí)際參與到這類(lèi)項(xiàng)目中。”

PCMS，STT-MRAM和RRAM

大部分參與到這項(xiàng)游戲中的半導(dǎo)體生產(chǎn)商正在探索多項(xiàng)技術(shù)，包括PCM，MRAM和RRAM。不過(guò)除非這項(xiàng)替代品可以達(dá)到NAND這一水平的成本，否則該技術(shù)就無(wú)法在企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)上成為NAND真正的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，無(wú)論其技術(shù)有多領(lǐng)先。

“價(jià)格最接近的技術(shù)價(jià)格可能也是NAND的5倍以上，”美光技術(shù)公司NAND解決方案事業(yè)本部的市場(chǎng)總監(jiān)Kevin Kilbuck在評(píng)論研究可替代技術(shù)的公司時(shí)提到。

同時(shí)，美光致力于多個(gè)領(lǐng)域，其中包括PCM(通過(guò)其在2010年收購(gòu)恒憶半導(dǎo)體)以及自旋注入式磁化反轉(zhuǎn)型MRAM(STT-MRAM)。Kilbuck說(shuō)某些技術(shù)可能會(huì)作為NAND閃存的補(bǔ)充。
“這些技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)，”Kilbuck說(shuō)，“很難講哪一項(xiàng)會(huì)勝出。”

Troy Winslow是英特爾公司非易失性?xún)?nèi)存解決方案事業(yè)本部的產(chǎn)品市場(chǎng)部總監(jiān)，他通過(guò)電子郵件表示英特爾認(rèn)為堆棧式PCM的變體，稱(chēng)為變相存儲(chǔ)開(kāi)關(guān)，為PCM單元層分配一個(gè)雙向閾值開(kāi)關(guān)，可以在企業(yè)級(jí)系統(tǒng)中發(fā)揮較MRAM更大的潛力。

英特爾和恒憶半導(dǎo)體在2009年宣布其證實(shí)了一塊64Mb的測(cè)試芯片可以在一塊晶體盤(pán)中堆棧成多層的PCM陣列層，這為存儲(chǔ)更大容量，更高性能和擴(kuò)展性，以及更低能耗的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了鋪墊。

不過(guò)，Winslow補(bǔ)充道，“NAND仍將企業(yè)級(jí)解決方案中保持長(zhǎng)久的生命力。及時(shí)在幾年內(nèi)出現(xiàn)某種新技術(shù)，技術(shù)遷移也會(huì)花費(fèi)數(shù)年。”

在2011年7月，海力士半導(dǎo)體公司和東芝公司發(fā)布了一則聯(lián)合通告，關(guān)于其共同開(kāi)發(fā)STT-MRAM的協(xié)議，兩家公司認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)因?yàn)槠湓谒俣?，容量和功耗方面的?yōu)勢(shì)，非常適合于智能電話(huà)。東芝拒絕提供更多的評(píng)論，不過(guò)其他公司則認(rèn)為STT-MRAM最終也會(huì)在企業(yè)級(jí)系統(tǒng)中得以應(yīng)用。

之后的一個(gè)月，三星電子有限公司宣布其對(duì)Grandis公司的收購(gòu)，這表示三星公司也開(kāi)始致力于STT-MRAM。三星將Grandis并入研發(fā)運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)，不過(guò)STT-MRAM只是該公司投資的多項(xiàng)取代NAND技術(shù)中的一種。

“三星，這個(gè)全球最大的NAND供應(yīng)商，在嘗試晚所有方式之前是不會(huì)輕易讓NAND被淘汰的，”科羅拉多州Silverton咨詢(xún)公司的創(chuàng)始人和總裁Ray Lucchesi說(shuō)，“NAND背后有太多的公司和利益，這項(xiàng)技術(shù)并不會(huì)輕易逝去。”

即便在長(zhǎng)期角度上看，F(xiàn)orward Insight的Wong也并不認(rèn)為MRAM或堆棧式變體PCM的價(jià)格可以和NAND那樣。他說(shuō)供應(yīng)商目前都在希望用PCM和MRAM來(lái)補(bǔ)充或替換部分的DRAM，從本質(zhì)上作為一種非易失性RAM，可以在掉電的情況下保持?jǐn)?shù)據(jù)，而不像DRAM那樣。他說(shuō)這項(xiàng)技術(shù)在對(duì)于隨機(jī)寫(xiě)操作敏感的工作負(fù)荷環(huán)境下極其有用，這種工作環(huán)境要求高I/O，比如數(shù)據(jù)庫(kù)和財(cái)務(wù)應(yīng)用。

不過(guò)，根據(jù)Wong的說(shuō)法，RRAM比PCM或MRAM更有可能取代NAND。他說(shuō)所有主要內(nèi)存廠商都致力于RRAM，其工作原理在于電氣兩級(jí)變化電阻。HP公司有另一項(xiàng)名稱(chēng)，記憶電阻器。

“從理論上講，RRAM是影響可擴(kuò)展的技術(shù)，”Wong說(shuō)，“不過(guò)對(duì)于任何一項(xiàng)要取代NAND的技術(shù)都必需可以進(jìn)行堆棧，這在根本上是項(xiàng)挑戰(zhàn)。

后繼者也會(huì)受到NAND閃存技術(shù)外延的影響

與此同時(shí)，預(yù)測(cè)哪項(xiàng)技術(shù)更有希望成為取代NAND閃存變得非常困難，因?yàn)樵谶@項(xiàng)技術(shù)首次出現(xiàn)后，NAND閃存本身比業(yè)內(nèi)預(yù)期的獲取了更長(zhǎng)的生命周期，“這些實(shí)驗(yàn)室里的天才們不斷采取方式推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)，哪怕只有額外的一兩步工序，他們這樣持續(xù)做了幾乎10年，”加利福尼亞州洛斯加托斯的Object Analysis的創(chuàng)立者和首席分析師Jim Handy說(shuō)，“誰(shuí)敢說(shuō)他們不會(huì)繼續(xù)這樣做上另外10年呢?”

Handy回顧了一份2003年英特爾開(kāi)發(fā)者大會(huì)上的演講稿，當(dāng)時(shí)一名高級(jí)管理人員宣稱(chēng)NAND閃存無(wú)法超越60納米的工藝水平。不過(guò)英特爾和美光科技持續(xù)將這種技術(shù)工藝從50納米提升至34納米，25納米，直至現(xiàn)在的20納米。Handy預(yù)期閃存會(huì)最終縮小到10納米，并停止在大約8納米這一極限值上。

通過(guò)工藝的提升帶來(lái)了巨大的成本下降。將2個(gè)字節(jié)封裝在每個(gè)單元的MLC或新興的消費(fèi)級(jí)的3層單元(TLC)閃存也降低了成本。不過(guò)這種創(chuàng)新也帶來(lái)了負(fù)面效果，比如耐久度，性能和穩(wěn)定性的降低。

到目前為止，生產(chǎn)商已經(jīng)能夠?qū)?個(gè)字節(jié)的MLC NAND閃存應(yīng)用在企業(yè)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中，并通過(guò)復(fù)雜的控制技術(shù)，誤差糾正嗎(ECC)和磨損測(cè)量技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)充。不過(guò)，由于受限于目前的晶體管技術(shù)，恐怕很難再有更多控制技術(shù)。

還有一種可能延續(xù)閃存生命周期的技術(shù)就是3D NAND，這種技術(shù)從三個(gè)維度堆棧內(nèi)存單元。美光科技的Kilbuck將其比作一幢多層的辦公樓，而非二維的NAND閃存那種在一個(gè)平面鋪開(kāi)的單層辦公樓。

“目前針對(duì)二維的NAND單元何時(shí)會(huì)達(dá)到其擴(kuò)展極限，業(yè)內(nèi)尚有很多爭(zhēng)論，”Kilbuck說(shuō)，“我聽(tīng)到有人說(shuō)還會(huì)有好幾十年，也有人說(shuō)會(huì)在幾年內(nèi)NAND就會(huì)按比例縮小，我們不得不轉(zhuǎn)向諸如3D NAND之類(lèi)的技術(shù)。”

Kilbuck也表示業(yè)內(nèi)無(wú)法預(yù)計(jì)3D技術(shù)會(huì)面臨怎樣的挑戰(zhàn)，并且其會(huì)延長(zhǎng)NAND多久的生命周期，所有這些都要等到3D NAND大量生產(chǎn)后才會(huì)有分曉。

“閃存可擴(kuò)展性的終結(jié)是每個(gè)人都擔(dān)心的事情，這也是為什么他們轉(zhuǎn)向其它技術(shù)的原因，”Object Analysis的Handy說(shuō)。不過(guò)他認(rèn)為現(xiàn)在斷言PCM、MRAM、RRAM還是其它技術(shù)會(huì)勝出還為時(shí)過(guò)早。“假如NAND閃存在衰退之前還有另外10年的生命周期，那就意味著這些技術(shù)黑馬還要等上10年才能有機(jī)會(huì)成為市場(chǎng)主導(dǎo)者。”