MRAM,CBRAM,PCRAM,RRAM这些新型存储器能用作内存吗？

新型存储器：MRAM、CBRAM、PCRAM、RRAM 能否担当内存的重任？

在信息爆炸的时代，我们对数据存储的需求与日俱增，而传统的DRAM（动态随机存取存储器）和NAND闪存虽然在各自领域扮演着重要角色，但也面临着功耗、速度、耐久性等方面的挑战。正因如此，业界对能够克服这些瓶颈的新型存储器技术寄予厚望，其中MRAM、CBRAM、PCRAM和RRAM（统称为阻变存储器或XRAM）便是备受瞩目的“潜力股”。那么，这些新兴的存储技术，究竟能否像DRAM一样，成为我们系统中不可或缺的“内存”呢？

要回答这个问题，我们需要先理解“内存”的几个关键属性，并对比分析这些新型存储器各自的特点。

“内存”的定义：

通常我们所说的“内存”，指的是主内存，也就是计算机系统中用于存放CPU正在执行的程序和数据的临时存储区域。它具有以下几个核心特征：

易失性 (Volatile): DRAM是易失性存储器，意味着断电后数据会丢失。这使得它不适合长期存储，但同时也带来了低功耗和高速度的优势。
高速度 (High Speed): 内存需要能够快速地与CPU进行数据交换，读写延迟非常低。
高耐久性 (High Endurance): 内存需要能够承受频繁的读写操作，而不会损坏。
低功耗 (Low Power Consumption): 尤其是在移动设备和服务器领域，内存的功耗是至关重要的考量因素。
高密度 (High Density): 在有限的空间内存储尽可能多的数据。
随机访问 (Random Access): 能够快速访问存储器中的任何一个数据单元，而不是顺序读取。

新型存储器概述与分析：

下面，我们逐一剖析MRAM、CBRAM、PCRAM和RRAM，看看它们离“内存”的宝座还有多远。

1. MRAM (Magnetoresistive RandomAccess Memory 磁阻随机存取存储器)

MRAM的核心原理是利用磁性材料的磁阻效应来存储数据。它通过改变存储单元内磁性材料的磁化方向来表示0或1。

易失性/非易失性： MRAM最显著的特点是非易失性。一旦数据被写入，即使断电，其磁化状态也不会改变。这是它与DRAM最根本的区别。
速度： MRAM的读写速度可以与DRAM媲美，甚至在某些方面（如写速度）可能更胜一筹。读写延迟通常在纳秒级别。
耐久性： MRAM的耐久性非常高，理论上可以承受数万亿次的读写循环，远超DRAM和NAND闪存。
功耗： MRAM在读操作时功耗非常低，但写操作的功耗相对较高，因为它需要电流来产生磁场。然而，与DRAM相比，其平均功耗通常更有优势，尤其是在待机状态下。
密度： MRAM的密度目前仍是其发展的瓶颈之一，与DRAM相比通常较低，这会增加制造成本。
随机访问： MRAM支持高速随机访问。

MRAM作为内存的潜力：

MRAM最大的优势在于其非易失性和高速度、高耐久性的结合。这意味着它有可能作为一种“持久内存” (Persistent Memory)，在断电时保留数据，从而在系统启动时实现极快的恢复速度，并大大减少数据丢失的风险。

然而，要完全取代DRAM作为主内存，MRAM仍需克服成本高昂和密度不足的挑战。目前，MRAM更多地被视为缓存 (Cache)、寄存器 (Register)或嵌入式存储 (Embedded Memory)，用于对速度和可靠性要求极高的应用，例如高性能计算、汽车电子、物联网设备等。

MRAM的不同技术路线：

SOTMRAM (SpinOrbit Torque MRAM): 这种技术利用自旋轨道力矩来切换磁化方向，具有更高的写速度和更低的功耗，是未来MRAM发展的重要方向。
MTJMRAM (Magnetic Tunnel Junction MRAM): 这是最成熟的MRAM技术，但写功耗相对较高。

2. PCRAM (Phasechange RandomAccess Memory 相变随机存取存储器)

PCRAM（也称为PCM）利用硫族化合物 (Chalcogenide)材料的相变特性来存储数据。这些材料可以在晶态（电阻低）和非晶态（电阻高）两种不同的电阻状态之间切换。

易失性/非易失性： PCRAM是非易失性存储器。
速度： PCRAM的读速度与DRAM相当，但写速度相对较慢，尤其是在从非晶态转换为晶态（重写）时。
耐久性： PCRAM的耐久性优于NAND闪存，但不如MRAM，通常可以承受数万到数十万次的写循环。其耐久性也受材料和制程的影响。
功耗： PCRAM的写操作需要加热材料，因此功耗相对较高，尤其是在从非晶态向晶态转变时。读操作功耗较低。
密度： PCRAM的密度较高，接近DRAM。
随机访问： PCRAM支持随机访问。

PCRAM作为内存的潜力：

PCRAM的非易失性使其成为理想的持久内存候选者。它能够将数据“永久”地存储在芯片上，即使在断电后也能保留。这使得它在需要快速启动、数据恢复以及容错能力强的应用中有巨大潜力。

然而，PCRAM面临的主要挑战是写速度相对较慢和写功耗较高。虽然它比NAND闪存快，但仍然无法完全匹敌DRAM的写速度。此外，耐久性虽然不错，但离MRAM还有距离，对于需要极端频繁写操作的场景，可能需要进一步改进。

PCRAM的代表性应用：

Intel的Optane技术（虽然目前已被停止开发，但曾是PCRAM应用的代表）就曾试图将PCRAM作为一种介于DRAM和SSD之间的“存储级内存”，以提供更高的性能和持久性。

3. RRAM (Resistive RandomAccess Memory 阻变随机存取存储器)

RRAM，也被称为ReRAM，是一种利用电介质材料（通常是金属氧化物）在施加电压后其电阻状态发生改变的原理来存储数据的存储器。通常是通过在材料中形成或断开导电细丝 (Conductive Filament CF)来实现电阻变化。

易失性/非易失性： RRAM是非易失性存储器。
速度： RRAM的读写速度非常快，某些技术路线可以达到与DRAM相当的水平，甚至可以实现亚纳秒级的读写。
耐久性： RRAM的耐久性潜力很高，理论上可以达到10¹⁰到10¹²次写循环，但实际应用中会受到材料、结构和制程的影响。
功耗： RRAM的写操作功耗非常低，因为其工作机制不依赖于加热，且所需的电压较低。读操作功耗也极低。
密度： RRAM具有非常高的密度潜力，并且可以通过3D堆叠技术进一步提升。
随机访问： RRAM支持高速随机访问。

RRAM作为内存的潜力：

RRAM凭借其极高的速度、极低的功耗和高耐久性，成为了取代DRAM作为主内存的有力竞争者。其非易失性也赋予了它成为持久内存的能力，与PCRAM类似，可以实现快速启动和数据恢复。

RRAM的低功耗特性尤其吸引人，这意味着在需要高效能的设备上，可以显著降低能耗。同时，其高密度潜力也为在有限空间内容纳更多数据提供了可能。

RRAM面临的挑战：

可靠性与一致性： 确保导电细丝的形成和断裂过程的稳定性和一致性是RRAM技术的一大挑战。这直接影响到数据的可靠性和存储单元的耐久性。
阈值电压的稳定性： 读写操作的阈值电压需要稳定，以避免误读和误写。
材料和制程的标准化： RRAM有多种材料和结构方案，缺乏统一的标准，这使得规模化生产和优化变得复杂。

4. CBRAM (ConductiveBridging RandomAccess Memory 导电桥随机存取存储器)

CBRAM（也称为ReRAM的一种形式，有时与RRAM概念有重叠）是另一种基于阻变效应的存储器，其工作原理是通过金属离子在电介质层中迁移，形成或断开导电路径来实现电阻变化。通常使用一种活性的阳极材料（如Cu、Ag）和一个惰性阴极材料。

易失性/非易失性： CBRAM是非易失性存储器。
速度： CBRAM的速度非常快，读写延迟可以做到非常低，接近DRAM的水平。
耐久性： CBRAM的耐久性潜力很高，可以承受大量的写操作，但与RRAM类似，其耐久性也受到材料和制程的影响。
功耗： CBRAM的写操作功耗较低，因为它所需的驱动电压和电流都相对较小。
密度： CBRAM具有很高的密度潜力，并且易于与CMOS工艺集成。
随机访问： CBRAM支持高速随机访问。

CBRAM作为内存的潜力：

CBRAM与RRAM非常相似，它同样具备非易失性、高速度、低功耗和高密度的潜力，使其成为持久内存的有力竞争者。其易于集成的特性也是一个很大的优势。

CBRAM面临的挑战：

CBRAM面临的挑战与RRAM相似，主要在于工作机制的稳定性和一致性。金属离子的迁移过程需要精确控制，以确保可靠的数据存储和擦除。例如，金属离子是否会过度迁移导致短路，或者迁移不足导致无法形成有效的导电路径，这些都是需要解决的问题。

总结：新型存储器能否成为“内存”？

答案是“有可能，但取代DRAM作为主内存仍有挑战，更多地可能成为“持久内存”或其他高性能存储应用”。

成为“持久内存”： MRAM、PCRAM、RRAM和CBRAM最突出的共同点是它们的非易失性。这意味着它们可以作为DRAM的补充，实现“内存+持久性”的混合架构。在这种架构下，系统可以在断电后保留内存中的数据，从而实现秒级的启动速度，并且在意外断电时保护数据。这已经在一些高性能计算和数据中心的应用中得到体现。
直接取代DRAM作为主内存： 要想完全取代DRAM作为主内存，这些新型存储器还需要在以下几个方面取得突破：
成本： 目前这些新型存储器的生产成本普遍高于DRAM，这是大规模普及的最大障碍。
密度： 尽管它们具有提高密度的潜力，但与DRAM的成熟工艺相比，在单位面积上存储更多数据方面仍有差距。
性能的全面性： 尽管它们在某些方面（如写速度、功耗）可能优于DRAM，但在所有关键性能指标上（特别是低延迟的读取和写入）都完全超越DRAM，还需要时间和技术的进步。
工艺集成： 确保这些新型存储器与现有的CMOS制造工艺能够高效、稳定地集成，也是一个重要的课题。

未来的发展趋势：

混合存储架构： 更有可能的是，未来我们将看到DRAM与这些新型非易失性存储器（尤其是MRAM和RRAM）相结合的混合存储架构。DRAM将继续扮演快速但易失性的主内存角色，而新型存储器则承担持久性、高速缓存或其他特定任务。
特定应用领域的突破： 在对性能、功耗或持久性有特殊要求的领域，这些新型存储器将首先得到广泛应用，例如：
MRAM： 作为高速缓存、嵌入式存储、物联网设备。
PCRAM： 作为持久内存、智能电网、大数据处理。
RRAM/CBRAM： 作为神经网络加速器、AI计算、嵌入式存储、持久内存。

总而言之，MRAM、CBRAM、PCRAM和RRAM这些新型存储器都具备成为“内存”的潜力，它们正通过各自独特的物理原理，在速度、功耗、耐久性和持久性等方面不断刷新性能记录。虽然目前它们在成本和密度上仍与成熟的DRAM存在差距，难以完全“取代”DRAM成为主流主内存，但它们作为“持久内存”或高性能存储解决方案的地位正在日益巩固，并将深刻影响我们未来计算设备的形态和能力。这些技术的进步，预示着一个更快速、更节能、更可靠的数据存储新时代的到来。

我理解这些存储器如果成本合适，可以替代flash作为ROM存储，但这些存储器能够代替作内存RAM吗？