新兴存储/The Emerging Memory

       现代计算系统通常采取高速缓存（SRAM）、主存（DRAM）、外部存储（NAND Flash）的三级存储结构，具体如下：

       为了满足速度和容量的需求，计算机系统通常采用高速缓存（SRAM）、内存（DRAM）和外部存储（NAND Flash）的三级存储结构，越靠近运算单元的存储器速度越快，但受功耗、散热、芯片面积的制约，其相应的容量也就越小，SRAM的响应时间在纳秒级，DRAM则是百纳秒级，NAND Flash更是达到百微秒级，当数据在这三级存储间传输时，后级的响应时间及传输带宽都将拖累整体系统的性能，形成“存储墙”。暴露出了DRAM功耗高、存储容量小、NAND带宽窄、高延迟及易丢失数据等不足。并且，二者的半导体制程节点已经来到了10nm，借助于EUV光刻等先进技术，每进步1nm，都需要付出巨大的努力，单纯靠提升工艺来提升芯片性能的方法已经无法充分满足时代的需求。

       由于DRAM和NAND Flash本身物理特性的限制，单纯依靠改良现有的存储器很难突破“存储墙”。在此背景下，新型存储受到广泛关注，其特点在于同时具备DRAM的读写速率与寿命以及NAND Flash的非易失特性。新型存储器的核心优势就是解决了“存储墙”问题，这使得新型存储理论上可以简化存储架构将当前的内存和外存合并为持久内存，从而有望消除或缩小内存与外存间的“存储墙”。正因为如此，第三代存储无法满足低功耗和高速率的需求，同时现有第三代存储器的成本已经没有压缩的空间，因此第三代存储技术无法继续迭代。

       2021年12月24日，《国家信息化技术规划》首次将非易失性存储纳入国家战略，目前非易失性存储包括PCM、MRAM、FERAM和RRAM等，都被称为第四代存储器。相较于以DRAM和NAND为代表的第三代存储器，第四代存储器产生的目的既是要具备第三代存储技术的特点和优势，同时具备改变第三代存储器缺陷的优势和特点。第三代存储器发展的瓶颈期已经显现，无法继续迭代和适应未来大数据和信息化的发展。未来信息化的发展在很长一段时间还无法完全取代现有的计算机架构，即冯·诺依曼架构的依赖，但是信息化对于硬件的要求却时不我待。信息化发展的要求需要硬件设施成本更低、速度更快和功耗更低。目前，受到广泛关注的新型存储器主要有四种：相变存储器（PCM），以英特尔与美光联合研发的3D XPoint为代表；磁变存储器（MRAM），以美国Everspin公司推出的STT-MRAM为代表；阻变存储器（ReRAM）以美国公司Crossbar为代表以及Ramtron 率先推出的铁电存储器（FeRAM）。