存储器技术

新兴的存储器技术

摘要：在冯·诺依曼早期提出的计算机系统的主要工作原理是“存储程序控制”，要实现计算机的控制功能，必须首先实现对相应程序和数据的存储。存储器的主要功能是存储程序和数据，所以存储器是计算机必不可少的核心部分。随着计算机技术的发展，人们也希望使用读写速度更快、存储容量更大的存储器，这也激发了对新的存储技术的需求和兴趣。在此驱动下，新兴的存储技术也呈现于我们眼前。

关键词：存储技术；新兴

从世界第一台通用计算机"ENIAC"于1946年在美国宾夕法尼亚大学诞生以来，计算机的发展已经有了七十多年的历史，也经历了四个阶段的发展。在这七十年中计算机的运算速度从每秒几万次提高到几十万次至几百万次，存储方式也从最早的卡片穿孔演变成了后来的磁性材料的读写，再到现在的大规模、超大规模半导体材料读写。尽管存储器在不断地发展，但是由于计算机的运算速度不断地提升，计算机中的大量操作都需要和存储器进行交换信息，存储器的读写速度相对于CPU的运算速度要慢的多，所以计算机的存储速度也成为计算机速度的制约因素之一。随着互联网的发展与移动终端的大量使用，研发新兴的存储技术也成了科研界的主要研发目标。本文分别对目前常用的存储器、面向移动平台的非挥发性存储器以及云储存进行综述。

1.目前通用的存储器

1.1静态随机存取存储器（SRAM）

SRAM的信息存储原理是利用双稳态触发器来存储信息，常用的有TTL、ECL和CMOS电路，其中CMOS电路是目前最常用的器件。SRAM具有存储速度快、驱动能力强、低功耗的优点，但是可靠性差、难以做到高密度、成本较高。

1.2动态随机存取储存器（DRAM）

现阶段普遍采用的是单管DRAM存储位元，具有结构简单、集成度高、功耗小的优点，与SRAM相比能耗更少成本更低。但是DRAM同样也存在着缺点：存储信息需要每隔几秒刷新一次，增加了系统成本。

1.3闪速存储器（FLASH）

FLASH的每个存储位元只需要一个MOS管，集成度高，写入速度快，接近RAM存储器，并且具有较长的工作寿命，可以进行100万次的编程次数。但FLASH内部进行浮栅重写需要给发射极加个大电流，还是会影响FLASH的使用寿命并使FLASH的操作电压增大。

2.面向移动时代的非挥发性存储技术

在近十年移动设备市场迅速扩张的推动作用下，世界上出现了几项具有突破性的存储器技术。根据这些技术的可行性，最主要的有两类：一类是基于无机材料的存储器技术，如导电桥接存储器(CBRAM)、铁电存储器 (FeRAM)、磁阻存储器(MRAM)或相变存储器(PCM)，另一类存储器技术则基于有机材料，铁电或导电开关聚合物。

2.1导电桥接存储器(CBRAM)

CBRAM曾经被称作可编程金属化单元(programmable metallization cell，PMC)。CBRAM 器件的结构是金属-固态电解质-金属的三层结构，如图1所示。CBRAM单元的其中一个电极选用具有电化学活性的金属材料，如Ag或Cu，通常被称作阳极(anode)：另一个电极选用具有电化学惰性的金属，如铂(Pt)、铱(Ir)或钨(w)，通常被称作阴极(cathode)。两个金属电极中间的材料是一层薄膜。

非易失性存储解决方案的领先开发商Adesto以PMC技术为基础的130rim工艺制造的CBRAM的存储器件可以实现保持时问达10年，工作电压1v，写入电流小于60μA，单元写入时间小于5μs，擦除时间小于10μs。

2.2 阻变式存储器(RRAM)

RRAM器件属于薄膜器件，RRAM的器件结构是金属-绝缘体-金属构成的三层结构，为MIM 型结构，中间的绝缘层为非金属薄膜。当给RRAM施加电压时，MIM结构中绝缘层的电阻会发生变化，这样RRAM可以在高阻态和低阻态之间转换，从而实现信息的存储。RRAM是基于阻变现象而制造的器件，器件阻值变化后的状态在外电场移除后仍能保持，具有非挥发性。RRAM与传统的存储器不同，它是利用电阻值的不同实现信息的存储，对RRAM器件施加超过不同阈值的偏置电压，使RRAM器件的电阻值在高阻态和低阻态之间转变，完成对二进制数的存储。

相较于其他非挥发性存储器件，RRAM材料简单、转换功率较低、读写速度快、擦写寿命长、具有良好的记忆性

2.3 铁电存储器(FeRAM)

图1 CBRAM存储器构成原理图

FeRAM 的技术概念早在上世纪90年代便被提出，但在研究过程中出现了很多技术难题。经过十多年的努力研究，FeRAM 终于进入市场实现商业化。现阶段业界提出的FeRAM 主要分为两个体系，一种是把铁电材料集成到一个单独的存储元件内，即铁电电容器内(在双晶体管／双电容(2T2C)干单晶体管／单电容(1TlC)两种元件内集成铁电材料的方法)，另一种是把铁电材料集成到选择元件内，即铁电场效应晶体管内。如图2所示。

FeRAM 存储器利用铁电材料的极化特性来存储数据，在外加电场的作用下，，介质材料产生极化，并且在外加电场消失后有剩余极化，极化方向不变，表现出电滞回线的特性，从而利用这种特性完成存储。

2.4 磁阻存储器(MRAM)

MRAM 元件采用磁性隧道结（MTJ ）结构，MTJ 由一个晶体管和一个电阻组成(1T ／1R)，结构为磁性材料-绝缘材料-磁性材料, 分别命名为自由层(free layer)，固定层(fixed layer)和氧化层(Tunneling oxide)。MTJ 元件是由磁场控制两个磁性层的磁化方向来存储数据。当两个磁化层的磁化方向处于反平行状态时通过元件的电子会受到较大的干扰，表现为高阻值，当磁化方向处于平行状态时电子受到的干扰较小表现为较低阻值，从而记录“0”、“1”信号。但MRAM 存在写操作电流过高和技术节点缩小受限的缺陷，为了克服这两大制约因素，业界最近提出了自旋转移矩RAM(SPRAM)解决方案，这项创新技术是利用自旋转换矩引起的电流感应式开关效应。现阶段MRAM 的制造只局限于4Mb 阵列180rim 制程的产品。

3. 网络存储技术——云存储

大数据时代的到来，促使更多人的企业和个人将数据迁移到云端，全球数据量 的猛增造成了持续增长的数据存储压力，并带动了整个存储市场的快速发展。云存储作为一种新兴的技术理念正在改变传统存储的提供和使用方式。云存储通过集群 应用，网格技术，分布式文件系统等功能，将网络中大量不同类型的存储设备通过应用软件集合起来协同工作，共同对外提供数据存储和业务访问功能。与传统的存 储设备相比，云存储不只是一个硬件，而是一个由网络设备，存储设备，服务器、应用软件、公用访问接口、接入网和客户端程序等多个部分组成的复杂系统。

因为云储存系统是一个多设备、多应用、多服务协同工作的集合体，

它的实现需要各种