DRAM與快閃記憶體仍扮演重要角色 MRAM普及尚需時(shí)日
[導(dǎo)讀]磁阻內(nèi)存的概念幾乎是和磁盤記錄技術(shù)同時(shí)被提出來(lái)的。但是眾所周知，內(nèi)存讀寫(xiě)的速度需要達(dá)到磁盤讀寫(xiě)的速度的100萬(wàn)倍，所以不能直接使用磁盤記錄技術(shù)來(lái)生產(chǎn)內(nèi)存。磁阻內(nèi)存的設(shè)計(jì)看起來(lái)并不復(fù)雜，但是對(duì)材料的要求比較
磁阻內(nèi)存的概念幾乎是和磁盤記錄技術(shù)同時(shí)被提出來(lái)的。但是眾所周知，內(nèi)存讀寫(xiě)的速度需要達(dá)到磁盤讀寫(xiě)的速度的100萬(wàn)倍，所以不能直接使用磁盤記錄技術(shù)來(lái)生產(chǎn)內(nèi)存。磁阻內(nèi)存的設(shè)計(jì)看起來(lái)并不復(fù)雜，但是對(duì)材料的要求比較高。
不過(guò)，最近的材料和工藝的進(jìn)步使得該技術(shù)有了突破性的進(jìn)展，1995年摩托羅拉公司(后來(lái)芯片部門獨(dú)立成為飛思卡爾半導(dǎo)體)演示了第一個(gè)MRAM芯片，并生產(chǎn)出了1MB的芯片原型。
2007年，磁記錄產(chǎn)業(yè)巨頭IBM公司和TDK公司合作開(kāi)發(fā)新一代MRAM，使用了一種稱為自旋扭矩轉(zhuǎn)換(spin-torque-transfer , STT)的新型技術(shù)，利用放大了的隧道效應(yīng)(tunnel effect)，使得磁致電阻的變化達(dá)到了1倍左右。而此次東芝展出的芯片也正是利用了STT技術(shù)，只是進(jìn)一步地降低了芯片面積，在一枚郵票見(jiàn)方的芯片上做出了1GB內(nèi)存，這也使得世界看到了磁阻內(nèi)存的威力——它的記錄密度是DRAM的成百上千倍，速度卻所有現(xiàn)有的內(nèi)存技術(shù)都要快。
大密度、快訪問(wèn)、極省電、可復(fù)用和不易失是磁阻內(nèi)存的五大優(yōu)點(diǎn)，這使它在各個(gè)方面都大大超過(guò)了現(xiàn)有的甚至正在研發(fā)的存儲(chǔ)技術(shù)——閃存太慢、SRAM和DRAM易揮發(fā)、鐵電存儲(chǔ)可重寫(xiě)次數(shù)有限、晶相存儲(chǔ)不易控制溫度……MRAM可以說(shuō)是集各個(gè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)于一身的高質(zhì)量產(chǎn)品。
目前，MRAM已經(jīng)在通信、軍事、數(shù)碼產(chǎn)品上有了一定的應(yīng)用。2008年，日本的SpriteSat衛(wèi)星就宣布使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的MRAM替換其所有的閃存元件。預(yù)計(jì)在今后的一、兩年里，它就能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)，我們?cè)诖蜷_(kāi)計(jì)算機(jī)時(shí)，也就不再需要等待了。
磁阻式隨機(jī)存取記憶體(MRAM)或許在許多應(yīng)用領(lǐng)域有取代 DRAM 與 SRAM 的潛力，但就連市場(chǎng)上唯一家生產(chǎn)這種非揮發(fā)性記憶體的供應(yīng)商都認(rèn)為，這種取代的過(guò)程得花上好一段時(shí)間。
一份來(lái)自資料儲(chǔ)存產(chǎn)業(yè)顧問(wèn)機(jī)構(gòu) Coughlin Associates的報(bào)告指出，全球 MRAM 市場(chǎng)復(fù)合年成長(zhǎng)率(CAGR)可達(dá)50%，包括MARM與STT-MRAM在內(nèi)的整體市場(chǎng)營(yíng)收將由 2013年的1.9億美元，在2019年達(dá)到21億美元。
Coughlin Associates創(chuàng)辦人Tom Coughlin表示，MRAM一個(gè)最顯著的優(yōu)勢(shì)是能與CMOS制程相容，此外因?yàn)樵撝瞥碳夹g(shù)成熟，相關(guān)的整合與 3D NAND 技術(shù)比起來(lái)比較不那么令人卻步。他指出，MRAM技術(shù)的演進(jìn)可能會(huì)追隨快閃記憶體的腳步──也就是在被廣泛采用以及價(jià)格下降、儲(chǔ)存密度提升之前，先在一些利基型應(yīng)用領(lǐng)域贏得青睞。
Coughlin并指出，STT (Spin-Torque-Transfer，自旋力矩轉(zhuǎn)移)-MRAM特別能提供在讀取/寫(xiě)入以及耐久性方面的優(yōu)勢(shì)。而Gartner分析師Brady Wang則表示，MRAM被發(fā)現(xiàn)用來(lái)做為固態(tài)硬碟(SSD)的快取記憶體，但其密度仍然太低，通常應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域。
MRAM勝過(guò)DRAM的優(yōu)勢(shì)在于其非揮發(fā)性;Wang表示，，就像NOR或NAND快閃記憶體一樣，STT-MRAM能在沒(méi)有持續(xù)外部供電的情況下保存資料，而且其耗電量很低。此外由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，MRAM的擴(kuò)展性也優(yōu)于SRAM，能提升微縮程度并可望進(jìn)一步降低制造成本。
而Wang也指出，與NAND快閃記憶體相較，STT-MRAM能在沒(méi)有中間的抹除步驟情況下，在儲(chǔ)存0與1之間切換;而該抹除步驟在快閃記憶體內(nèi)是不可少的，也增加了寫(xiě)入延遲。這使得設(shè)計(jì)STT-MRAM控制晶片相對(duì)比設(shè)計(jì)NAND快閃記憶體控制晶片簡(jiǎn)單許多。
Wang表示，目前市場(chǎng)上唯一生產(chǎn)MRAM晶片的廠商是Everspin Technologies，目前產(chǎn)品最大記憶體容量為64Mb;而128Mb甚至1Gb的MRAM可能會(huì)在未來(lái)兩年內(nèi)問(wèn)世，其中1Gb產(chǎn)品將可望讓MARM進(jìn)軍消費(fèi)性應(yīng)用。
Everspin 產(chǎn)品行銷總監(jiān)Joe OHare表示，其MRAM產(chǎn)品(該公司在5年多前就開(kāi)始推出)，一開(kāi)始應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域;而Everspin也已看到包括工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人、交通運(yùn)輸以及醫(yī)療等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)RAM的廣泛采用。不過(guò)MRAM最大的成長(zhǎng)動(dòng)力是來(lái)自企業(yè)儲(chǔ)存。
隨著容量提升，Everspin將MRAM視為非揮發(fā)性記憶體獲得進(jìn)一步采用的橋梁，在能提供媲美DRAM的性能同時(shí)，也能有更多像快閃記憶體一樣的儲(chǔ)存記憶體。OHare表示，隨著各種新興技術(shù)出爐，MRAM可望成為永久性、高性能儲(chǔ)存技術(shù)的關(guān)鍵選項(xiàng)。
MRAM 在企業(yè)儲(chǔ)存領(lǐng)域的應(yīng)用案例之一是RAID系統(tǒng)，OHare指出，這類應(yīng)用的考量是要在電力喪失時(shí)迅速?gòu)?fù)原;MRAM被應(yīng)用于儲(chǔ)存元資料 (metadata)以及儲(chǔ)存系統(tǒng)資料，因此如果電力中斷，系統(tǒng)資訊仍能被保存在非揮發(fā)性MRAM，讓RAID系統(tǒng)能更快自我重建。
OHare也表示，Everspin還看到MRAM在其他企業(yè)儲(chǔ)存領(lǐng)域的許多應(yīng)用，那些應(yīng)用不需要DRAM的容量密度，但可利用非揮發(fā)性記憶體的優(yōu)勢(shì);這個(gè)市場(chǎng)的規(guī)模很夠分量，而且并不是以價(jià)格來(lái)競(jìng)爭(zhēng)，系統(tǒng)的可靠度才是重要推手。
不過(guò)Objective Analysis首席分析師Jim Handy 表示，最終價(jià)格與容量密度才是決定MRAM是否能大規(guī)模取代DRAM 或SRAM的關(guān)鍵，雖然其低功耗特性很吸引人，但大多數(shù)企業(yè)組織并不會(huì)去做那樣的整體擁有成本(TCO)估算;MRAM能在某些應(yīng)用領(lǐng)域取代SRAM，以免除很容易出現(xiàn)故障的備用電池需求。
Handy指出，看重MRAM非揮發(fā)特性的產(chǎn)業(yè)(例如將其應(yīng)用在ATM的金融業(yè))，會(huì)愿意為這種記憶體付出較高的代價(jià);可是在目前，DRAM與快閃記憶體搭配各自的技術(shù)演進(jìn)，仍扮演稱職的角色，因此并沒(méi)有立即性的理由被取代。
不過(guò)，最近的材料和工藝的進(jìn)步使得該技術(shù)有了突破性的進(jìn)展，1995年摩托羅拉公司(后來(lái)芯片部門獨(dú)立成為飛思卡爾半導(dǎo)體)演示了第一個(gè)MRAM芯片，并生產(chǎn)出了1MB的芯片原型。
2007年，磁記錄產(chǎn)業(yè)巨頭IBM公司和TDK公司合作開(kāi)發(fā)新一代MRAM，使用了一種稱為自旋扭矩轉(zhuǎn)換(spin-torque-transfer , STT)的新型技術(shù)，利用放大了的隧道效應(yīng)(tunnel effect)，使得磁致電阻的變化達(dá)到了1倍左右。而此次東芝展出的芯片也正是利用了STT技術(shù)，只是進(jìn)一步地降低了芯片面積，在一枚郵票見(jiàn)方的芯片上做出了1GB內(nèi)存，這也使得世界看到了磁阻內(nèi)存的威力——它的記錄密度是DRAM的成百上千倍，速度卻所有現(xiàn)有的內(nèi)存技術(shù)都要快。
大密度、快訪問(wèn)、極省電、可復(fù)用和不易失是磁阻內(nèi)存的五大優(yōu)點(diǎn)，這使它在各個(gè)方面都大大超過(guò)了現(xiàn)有的甚至正在研發(fā)的存儲(chǔ)技術(shù)——閃存太慢、SRAM和DRAM易揮發(fā)、鐵電存儲(chǔ)可重寫(xiě)次數(shù)有限、晶相存儲(chǔ)不易控制溫度……MRAM可以說(shuō)是集各個(gè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)于一身的高質(zhì)量產(chǎn)品。
目前，MRAM已經(jīng)在通信、軍事、數(shù)碼產(chǎn)品上有了一定的應(yīng)用。2008年，日本的SpriteSat衛(wèi)星就宣布使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的MRAM替換其所有的閃存元件。預(yù)計(jì)在今后的一、兩年里，它就能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)，我們?cè)诖蜷_(kāi)計(jì)算機(jī)時(shí)，也就不再需要等待了。
磁阻式隨機(jī)存取記憶體(MRAM)或許在許多應(yīng)用領(lǐng)域有取代 DRAM 與 SRAM 的潛力，但就連市場(chǎng)上唯一家生產(chǎn)這種非揮發(fā)性記憶體的供應(yīng)商都認(rèn)為，這種取代的過(guò)程得花上好一段時(shí)間。
一份來(lái)自資料儲(chǔ)存產(chǎn)業(yè)顧問(wèn)機(jī)構(gòu) Coughlin Associates的報(bào)告指出，全球 MRAM 市場(chǎng)復(fù)合年成長(zhǎng)率(CAGR)可達(dá)50%，包括MARM與STT-MRAM在內(nèi)的整體市場(chǎng)營(yíng)收將由 2013年的1.9億美元，在2019年達(dá)到21億美元。
Coughlin Associates創(chuàng)辦人Tom Coughlin表示，MRAM一個(gè)最顯著的優(yōu)勢(shì)是能與CMOS制程相容，此外因?yàn)樵撝瞥碳夹g(shù)成熟，相關(guān)的整合與 3D NAND 技術(shù)比起來(lái)比較不那么令人卻步。他指出，MRAM技術(shù)的演進(jìn)可能會(huì)追隨快閃記憶體的腳步──也就是在被廣泛采用以及價(jià)格下降、儲(chǔ)存密度提升之前，先在一些利基型應(yīng)用領(lǐng)域贏得青睞。
Coughlin并指出，STT (Spin-Torque-Transfer，自旋力矩轉(zhuǎn)移)-MRAM特別能提供在讀取/寫(xiě)入以及耐久性方面的優(yōu)勢(shì)。而Gartner分析師Brady Wang則表示，MRAM被發(fā)現(xiàn)用來(lái)做為固態(tài)硬碟(SSD)的快取記憶體，但其密度仍然太低，通常應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域。
MRAM勝過(guò)DRAM的優(yōu)勢(shì)在于其非揮發(fā)性;Wang表示，，就像NOR或NAND快閃記憶體一樣，STT-MRAM能在沒(méi)有持續(xù)外部供電的情況下保存資料，而且其耗電量很低。此外由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，MRAM的擴(kuò)展性也優(yōu)于SRAM，能提升微縮程度并可望進(jìn)一步降低制造成本。
而Wang也指出，與NAND快閃記憶體相較，STT-MRAM能在沒(méi)有中間的抹除步驟情況下，在儲(chǔ)存0與1之間切換;而該抹除步驟在快閃記憶體內(nèi)是不可少的，也增加了寫(xiě)入延遲。這使得設(shè)計(jì)STT-MRAM控制晶片相對(duì)比設(shè)計(jì)NAND快閃記憶體控制晶片簡(jiǎn)單許多。
Wang表示，目前市場(chǎng)上唯一生產(chǎn)MRAM晶片的廠商是Everspin Technologies，目前產(chǎn)品最大記憶體容量為64Mb;而128Mb甚至1Gb的MRAM可能會(huì)在未來(lái)兩年內(nèi)問(wèn)世，其中1Gb產(chǎn)品將可望讓MARM進(jìn)軍消費(fèi)性應(yīng)用。
Everspin 產(chǎn)品行銷總監(jiān)Joe OHare表示，其MRAM產(chǎn)品(該公司在5年多前就開(kāi)始推出)，一開(kāi)始應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域;而Everspin也已看到包括工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人、交通運(yùn)輸以及醫(yī)療等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)RAM的廣泛采用。不過(guò)MRAM最大的成長(zhǎng)動(dòng)力是來(lái)自企業(yè)儲(chǔ)存。
隨著容量提升，Everspin將MRAM視為非揮發(fā)性記憶體獲得進(jìn)一步采用的橋梁，在能提供媲美DRAM的性能同時(shí)，也能有更多像快閃記憶體一樣的儲(chǔ)存記憶體。OHare表示，隨著各種新興技術(shù)出爐，MRAM可望成為永久性、高性能儲(chǔ)存技術(shù)的關(guān)鍵選項(xiàng)。
MRAM 在企業(yè)儲(chǔ)存領(lǐng)域的應(yīng)用案例之一是RAID系統(tǒng)，OHare指出，這類應(yīng)用的考量是要在電力喪失時(shí)迅速?gòu)?fù)原;MRAM被應(yīng)用于儲(chǔ)存元資料 (metadata)以及儲(chǔ)存系統(tǒng)資料，因此如果電力中斷，系統(tǒng)資訊仍能被保存在非揮發(fā)性MRAM，讓RAID系統(tǒng)能更快自我重建。
OHare也表示，Everspin還看到MRAM在其他企業(yè)儲(chǔ)存領(lǐng)域的許多應(yīng)用，那些應(yīng)用不需要DRAM的容量密度，但可利用非揮發(fā)性記憶體的優(yōu)勢(shì);這個(gè)市場(chǎng)的規(guī)模很夠分量，而且并不是以價(jià)格來(lái)競(jìng)爭(zhēng)，系統(tǒng)的可靠度才是重要推手。
不過(guò)Objective Analysis首席分析師Jim Handy 表示，最終價(jià)格與容量密度才是決定MRAM是否能大規(guī)模取代DRAM 或SRAM的關(guān)鍵，雖然其低功耗特性很吸引人，但大多數(shù)企業(yè)組織并不會(huì)去做那樣的整體擁有成本(TCO)估算;MRAM能在某些應(yīng)用領(lǐng)域取代SRAM，以免除很容易出現(xiàn)故障的備用電池需求。
Handy指出，看重MRAM非揮發(fā)特性的產(chǎn)業(yè)(例如將其應(yīng)用在ATM的金融業(yè))，會(huì)愿意為這種記憶體付出較高的代價(jià);可是在目前，DRAM與快閃記憶體搭配各自的技術(shù)演進(jìn)，仍扮演稱職的角色，因此并沒(méi)有立即性的理由被取代。
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