存儲器是半導體產業(yè)的重要分支，約占全球半導體市場的四分之一至三分之一。存儲器已經形成主要由DRAM與Flash構成的超千億美元的市場。盡管存儲器產品品類眾多，但從產品營收貢獻的角度來看，DRAM和Flash(NAND、NOR)的營收占比超95%。

DRAM與Flash雖然在存儲器領域近乎“絕對壟斷”，但是，人工智能、物聯網、5G到來，都加速了數字化浪潮來襲。在這個背景下，數據處理的需求量呈指數級上升，半導體從業(yè)者紛紛加大對存儲技術的研發(fā)與投資，想實現成本更低、速度更快、效能更好的存儲。

龍頭也有短板

存儲市場中，最常見且被廣泛應用的存儲器為DRAM與NAND。近年來隨著半導體制程持續(xù)朝更小的技術節(jié)點邁進，DRAM與NAND嚴重面臨尺寸微縮挑戰(zhàn)，DRAM目前已接近微縮極限，而NAND則全力朝3D架構轉型。

此外，隨著數據量的爆發(fā)增長，DRAM及NAND在耗電量及數據訪問速度上已無法跟上需求的腳步。他們在需要高速運算的應用場景中也有一些阻礙。

基于這些原因，下一代存儲技術為了補位，出現在大家的視野中。

新生代存儲：PCRAM、MRAM、ReRAM

經過各個廠商數十年的不懈努力，下一代存儲已經出現了幾位極具潛力的種子選手：PCRAM、磁阻式內存MRAM、以及電阻式內存ReRAM。這些新興存儲的技術性能也各有差異。

PCRAM(相變隨機存儲器)

PCRAM是一種利用相變材料作為存儲介質，通過相變材料在電流的焦耳熱作用下，在結晶相態(tài)和非晶相態(tài)之間快速并可逆的轉換時，會呈現出的不同電阻率這一特性來實現數據存儲的技術。

與NAND相比，PCRAM在寫入更新代碼之前不需要擦除以前的代碼或數據，所以在速度方面，比NAND有優(yōu)勢，讀寫時間較為均衡。然而，PCRAM雖然讀寫速度比NAND有所提高，但冷卻過程會帶來更高功耗。其次，為了使相變材料兼容CMOS工藝，PCRAM必須采取多層結構，因此存儲密度過低，在容量上無法替代NAND。

PCRAM早已逐漸步入產業(yè)化進程。

2006年，英特爾和美光成立IM Flash Technologies，開始合作研發(fā)新的存儲器技術。2012年，雙方開始合作3D XPoint存儲項目，3D XPoint技術也是PCRAM的一種。2015年7月，美光和因特爾聯合發(fā)表了發(fā)表雙方共同研發(fā)的存儲器技術：3D XPoint存儲器技術。

MARM(磁性隨機存儲器)

MRAM(磁性隨機存儲器)靠磁場極化而非電荷來存儲數據，存儲單元由自由磁層、隧道柵層、固定磁層組成。自由磁層的磁場極化方向可以改變，固定層的磁場方向不變，當自由層與固定層的磁場方向平行時，存儲單元呈現低電阻;反之呈高電阻，通過檢測存儲單元電阻的高低，即可判斷所存數據是0還是1。MRAM擁有SRAM的高速讀取寫入能力，以及DRAM的高集成度，而且基本上可以無限次地重復寫入。

MRAM最大的缺點是存儲單元之間存在干擾，當對目標位進行編程時，非目標位中的自由層很容易被誤編程，尤其是在高密度情況下，相鄰單元間的磁場的交疊會愈加嚴重。

從開始研究到現在，MRAM已經有20多年歷史了。

ReRAM(阻變存儲器)

ReRAM(阻變存儲器，也稱憶阻器)是當下最有前景的新型非易失性存儲技術之一，其器件結構簡單，操作方式簡捷，具有尺寸易于縮小，高速度，低功耗，低成本，易與CMOS工藝兼容等諸多特點。

典型的ReRAM由兩個金屬電極夾一個薄介電層組成，介電層作為離子傳輸和存儲介質。在上下電極間施加電壓，中間的阻變層中會形成一條導電通道。通過改變上下電極間的電壓來控制導電通道的狀態(tài)，進而使得存儲器件的電阻值發(fā)生變化。不同的電阻值代表不同的存儲狀態(tài)，即使去掉電極上的電壓信號，電阻值仍然會繼續(xù)保持，因此可以實現非易失性存儲。

ReRAM的單元面積小，讀寫速度是NAND的1000倍，同時功耗可以降低15倍。

ReRAM工藝也更為簡單。以Crossbar為例，Crossbar的ReRAM能夠使用標準的CMOS工藝與設備，對產線無污染，整體制造成本低，可以很容易地讓半導體代工廠具備ReRAM的生產制造能力，這對于量產和商業(yè)化推動有很大優(yōu)勢。

從密度、能效比、成本、工藝制程和良率各方面綜合衡量，ReRAM存儲器在目前已有的新型存儲器中具備明顯優(yōu)勢。

多點開花的ReRAM應用領域

ReRAM的優(yōu)越性能也讓其應用也十分廣泛。

AIoT：效能與安全是要義

AIoT主要由微型設備組成，供電能力弱且需要數據實時交互，因此不僅要求存儲器件低功耗，也需要高速度和低延遲。ReRAM在讀寫速度和功耗幾倍到幾百倍的提升，并可實現更高的存儲密度。

AIoT的數據要求具備基本的信息安全和隱私保護能力。一些廠商的ReRAM都帶有PUF密鑰，每顆存儲芯片都擁有唯一信任根和唯一主動標識ID，結合通用密碼算法，實現數據和程序的防復制和防篡改能力。

人工智能：亟需打破存儲墻

人工智能不斷發(fā)展，對存儲和計算提出了更高的要求。目前計算機還是依然延續(xù)馮·諾依曼結構，存儲單元和計算單元獨立分開，

現有馮·諾伊曼計算系統采用存儲和運算分離的架構，存在“存儲墻”與“功耗墻”瓶頸，嚴重制約系統算力和能效的提升。“能效比低”已經成為人工智能芯片的瓶頸問題。

ReRAM可以直接在芯片上集成處理邏輯，從而實現全新的以內存為中心的SoC架構。ReRAM的優(yōu)越特性有助于解決這些算法所需的性能和能源挑戰(zhàn)。通過減少存儲和計算之間的性能差距。

數據中心：高速計算提出更高要求

DRAM讀寫速度很快，但是無法下電保存數據，NAND密度高，可以下電保存數據，但是讀寫速度延遲高。高速計算、5G、萬物互聯等應用場景正在推動數據中心、智能終端的高速增長和轉型，對數據中心和智能終端提出了性能的更高要求。

通過利用ReRAM密度高、能耗低、讀寫速度快及可下電數據保存的特點，能幫助用戶大幅提升數據中心性能，降低能耗，達到運營成本的大幅降低。

ReRAM未來前景光明，近幾年，也是ReRAM發(fā)展最關鍵的時期。在新興的存儲技術中，ReRAM技術對于降低存儲器計算的能耗、提高成本效益至關重要，因而極具發(fā)展前景。然而，要想把握這些機會，真正成為DRAM和NAND的繼任者，ReRAM還有很長的路要走。