存储技术

数据存储未来的几项技术
转载：存储在线编辑：爱学者
爱学者小组：由存储事业部爱好探索存储技术伙伴组成，现有成员王师，李泽元，陈慧杰，主要跟踪各大存储论坛，摘取存储相关文章，编辑，发布到我们内部微信公众号，以供大家学习，希望其他有兴趣的伙伴积极参与！
今年，英特尔和美光将推出3D XPoint存储器，又称Optane，该产品将比目前NAND闪存的性能和耐久性提高1000倍。

3D Xpoint技术又称Optane，比NAND快1000倍;单一晶粒可存储128Gbits 数据。

虽然Optane芯片和其它电阻式存储技术在市场崭露头角可能导致存储级
内存取代昂贵的DRAM适用许多应用程序，但它不会便宜太久。

这就给持续NAND闪存的发展留了门。

进入3D NAND闪存时代，三星，英特尔/美光，东芝和其它厂商始终认为容量会增加，价格会下压。

最终，3D NAND甚至会令消费者相信SSD能和HDD 一样实惠。

“很快闪存会比旋转介质更便宜，”闪迪公司存储技术部执行副总裁Siva Sivaram如是说。

与此同时，希捷已经展示了采用热辅助磁记录(HAMR)技术的HDD，能实现每平方英寸10Tbits以上的数据密度。

这比现有最高密度的HDD磁录密度高出10倍。

2017年，希捷预期与设备制造商合作展示HAMR产品，适用于数据中心应用，2018年预计开始走向更广阔的市场。

而这些近期的技术进展不过是持续迫使创新以满足新一轮存储需求竞逐中的冰山一角。

存储一直被念紧箍咒
早在2000年，HDD公司就出现了容量限制问题，东芝和希捷将盘片上数据位从平铺变成垂直排列。

而从水平磁记录到垂直磁记录的改变提高了HDD几乎10倍的容量。

2013年，HDD行业再次面临容量限制，希捷模仿屋顶叠瓦式结构将数据磁道重叠，容量提了25%;然后2014年，HGST推出充氦硬盘，容量又拔高50%。

在非易失存储领域，容量瓶颈事件也时有发生，从SLC NAND闪存升为MLC NAND，MLC NAND一头走到黑的时候，三星又抛出了3D NAND的挂牌，英特尔/美光和东芝迅速跟进，将NAND单元堆栈到48层之高。

在闪存制造商眼中，堆栈多高简直是无极限。

NAND闪存微型摩天大楼增长超过100层
首次迭代，3D NAND闪存技术提供了2至10倍的更高可靠性和两倍平面NAND的写入性能提升。

然而最重要的是，3D NAND消除了平面NAND面临的光刻阻碍，制造商将晶体收缩到15纳米大小。

光刻技术进程越小，薄壁单元之间越容易发生电子泄漏，最终导致数据错误。

“重要的是你不必每次都重新构建这些3D NAND微型摩天大楼。

我们知道如何从24层堆到48层再到64层，” Sivaram称。

“这没有物理限制。

现在我们所有的3D NAND技术是三代和四代的理想扩展。

”
目前，三星，闪迪与其合作伙伴东芝和英特尔还有它的合作伙伴美光已经能够构建48层3D NAND，单一芯片可存储256Gbits (32GB)。

同时三星也是唯一一家批量生产48层芯片的公司。

别家都在快步跟进。

比如闪迪，发售了定量采用48层“X3” NAND技术制成的零售产品，也已将该产品样品发售给了设备制造商。

就在2D NAND方案由于光刻制程大小和出错率导致扩展受限之际，层堆栈生产的3D NAND跳了出来。

上图显示了实现3D NAND的一种方法。

围绕一个中心内存孔水平堆栈字线。

这一结构放宽了光刻技术的要求。

圆孔最小化了邻近数据位的干扰，整体密度大幅提高。

Sivaram还指出，闪迪已经在计划100层以上的3D NAND芯片了。

“我们没看到堆栈有什么高度限制。

如果我去问，(NAND制造商)也不会说堆到96或者126层见好就收得了，不能再往上。

” Sivaram表示。

“这是我们一直以来的愿望。

”
同时，生产3D NAND的工厂比那些生产平面NAND或HDD的工厂贵太多——一家工厂可花费100亿美元——Sivaram指出时间一长，随着采用率跳升，它们会缩减成本。

价格才是王道
而企业和用户都偏爱容量越大越好，然而价格通常会左右采用率。

英特尔与其开发合作伙伴美光正在致力于非易失性存储领域可能成为游戏改变者的产品——Optane芯片(英特尔内部称其为3D XPoint)。

虽然英特尔发布的Optane信息极少，但大多数行业专家认为这是电阻式RAM的形式。

英特尔和美光3D XPoint (又称Optane)芯片电阻式RAM架构电阻式RAM(ReRAM)能利用比NOR flash少于50-100倍的功率完成读取和写入操作，令其非常适用于移动设备，甚至可穿戴设备。

ReRAM是基于“记忆电阻器”的概念，也称忆阻器。

该术语由加州大学科学家Leon Chua于1970年提出。

在忆阻器之前，研究人员了解的只有3个基本电
路元件——电阻器，电容器和电感器。

忆阻器，相比之前的技术消耗更少能量提供更高的性能。

目前，唯一一家发售ReRAM产品的公司是Adesto Technologies，该公司近期生产了新型导体桥接RAM(CBRAM)存储芯片，适用于电池供电或能量采集的电子设备，可用于物联网市场。

ReRAM电路的微观侧面图
相比之下，英特尔今年发售其Optane驱动器则适用于PC发烧友。

美光新进跳坑，新型Optane驱动器预计比DRAM密集10倍，理论上快1000倍，比基于NAND闪存的SSD更具耐久性。

凭借比NAND 强1000倍的耐久性，Optane 驱动器将提供100万擦除写入周期，可见其彪悍程度。

“它速度跟不上DRAM，因此不会在最看重延迟的应用程序里取代它，但其拥有比NAND更高的密度，更低的延迟。

”美光流程整合主管Russ Meyer表示。

“如果对比SSD和硬盘，3D XPoint和传统NAND谁更快，这是同一个数量级的提升。

”
英特尔已经演示了Optane驱动器，大约比目前的SSD快7倍。

Optane SSD和ReRAM技术预计作为DIMM嵌入存储器插槽中。

Alan Chen，一位DRAMeXchange资深调研经理称即便今年英特尔的Xpoint ReRAM技术进入用户PC市场，由于成本问题，也会卡在最高端产品阶层。

Optane对SSD市场的影响在于它的价格。

目前，Optane产品仍比主流基于NAND闪存的产品更加昂贵。

因此，最初它们只会在高端SSD市场闹出一些响动。

去年，惠普和闪迪也发布了一个合作开发协议——“存储级内存
(SCM)ReRAM号称可能取代DRAM，比NAND闪存快1000倍。

”
一家总部位于美国新墨西哥州的初创公司Knowm也一直致力于忆阻器技术研发。

它的芯片能通过模仿人脑的突触效应制造智能计算机。

一个突触连接两个神经元，从这些神经元之间经过能产生更强和更频繁的信号，同样地，Knowm 忆阻器电路上信息的学习和保存取决于数据流量特性和电流。

Knowm的忆阻器设计用于模仿人脑
Chen透露三星也在研发类似英特尔Optane的产品，将混合DRAM和NAND 闪存进行制作，但三星拒绝就此事发声。

2020年，20TB硬盘
随着SSD价格不断下跌，密集型存储技术如3D NAND, HDD制造商都在计划升级自身技术。

例证：HAMR技术在硬盘读写磁头上采用激光设置更小的数据位，更安全恰当地放置在驱动器盘片上。

西数和希捷都在向HAMR HDD发功。

水平磁记录VS HAMR(热辅助磁记录)
“HAMR是我们的下一项技术，会使我们的磁录密度曲线继续呈上升态势，”希捷首席技术官Mark Re表示，“似乎每十年都要经过这些转型。

”
由于磁盘驱动器密度增大，受超顺磁性现象影响，潜在的数据错误也在增多。

这就是数据位之间的磁引力聚集在一个盘片表面随意翻转，导致它们的值从1
到0的改变，反之亦然。

随机位翻转导致数据错误。

希捷创造了HAMR技术，在HDD的读写磁头上使用一个专用孔，称为近场传感器，将大量光子以较小的体积集中到旋转的磁盘。

希捷HAMR近场传感器
HAMR还采用了基于纳米管的润滑实现磁盘读写磁头更接近盘片表面，以便更好地读写数据。

HAMR技术最终为希捷实现了一个近线位密度，约每平方英寸10Tbits——比现有最好的HDD磁录密度——每平方英寸1Tbit 高出10倍。

希捷已经演示了HAMR HDD，每平方英寸1.4Tbits，仍比现在最棒的HDD 高出40%。

ASTC的产品路线图显示HAMR和BMPR技术组合，提高了相当于现有硬盘10倍的位磁录密度。

“现在还没人走在我们前面。

我们研究HAMR技术约有10年之久。

” Re称，“在发售这类产品上肯定会更积极一些。

”
希捷计划明年开始发售HAMR HDD。

凭借HAMR，硬盘的理论密度一飞冲天。

服务器或台式驱动器可达60TB存储容量，单一盘片2.5英寸，笔记本驱动器也达到20TB存储容量。

希捷在市场营销活动中用了“2020年，20TB”。

希捷CTO Mark Re称这只是一个目标。

虽然除HAMR之外，HDD行业已经对更高的驱动器密度作出规划，BPM(Bit patterned media)记录将采用毫微光刻，而不是目前的HDD技术。

BPM可能提高HDD密度，可达每平方英寸200Tbits。

“鉴于最新的4TB外部驱动器是5盘片，这相当疯狂。

”希捷企业通讯部经理Nathan Papadopulos表示。

“很显然还有出路，” Re补充道，“未来十年间我们都会寻求这种技术。

”。