相變記憶體(PCRAM)曾經是今年初被譽為值得觀察的三大新型記憶體之一,這有很大一部份原因來自於英特爾(Intel)的Optane SSD和DIMM持續普及。但是,除了3D Xpoint以外的PCRAM呢?

根據Objective Analysis和Coughlin Associates聯合發表的最新年度報告《Emerging Memories Ramp Up》預測,受惠於價格低於DRAM的帶動,Optane形式的3D XPoint營收將在2029年以前成長至160億美元。儘管從未有人明確表示,但普遍都知道3D Xpoint就是PCRAM。然而,除了英特爾和美光科技(Micron Technology)共同開發的3D Xpoint技術之外,目前也有一些正進行中的研究致力於發掘並實現PCRAM的潛力。

PCRAM雖然是一種新型記憶體技術,但已經發展很長一段時間了,而也一直到最近十年才開始受到研究界的重視。Object Analysis分析師Jim Handy表示,該技術之所以前景持續被看好,是因為它的交叉點記憶體單元(crosspoint cell)非常小,而且具有可被堆疊的能力。例如,英特爾目前為其產品堆疊了2層,但最近透露已能增加到4層堆疊。他說:「他們打算透過增加層數來降低成本。」

儘管業界還有許多相關的研發活動,但除了3D Xpoint技術之外,Handy並不確定是否還有其他產品商業化。美光科技最近發表了X100 NVMe SSD,這是該公司首款基於3D XPoint技術的新型高效能記憶體解決方案系列產品。

Handy說,就像所有的新型記憶體各自有其強項一樣,PCRAM也不例外。但是,如果您與看好MRAM的人討論,當然會說MRAM適於各種用途,而PCRAM則否,但反之亦然。「問題是針對某一種技術,是否有足夠的發展空間使其得以創造出自己的市場?大致上來說,目前還不太可能實現。」例如,他說,PCRAM可望實現的領域之一是建構神經網路(neural networks),不過,諸如ReRAM等其他技術也正在朝此方向進展。

Intel Optane

至今唯一商業化的PCRAM是英特爾Optane DIMM和SSD,該公司將其定位於儲存階層結構中在3D NAND SSD之上、DRAM之下的另一層。(來源:Intel)

IBM Research正在研究PCRAM的發展潛力。蘇黎世IBM Research雲端儲存和分析小組負責人Haris Pozidis說,過去幾年來,該機構的研究重點一直擺在實現多位元儲存,這是在每單元中儲存更多位元以降低成本的唯一方法。為了進一步掌握採用更快元件的好處,該研究也試著在英特爾Optane SSD上執行工作負載。他說,隨著期待已久的DIMM發佈,以這種非揮發性記憶體類型儲存整個資料庫的可行性引發了業界的興趣。「如果你可以設計出明確利用持久性記憶體功能的檔案系統,那麼可以獲得的性能優勢將會非常顯著。」

Pozidis說,相較於已實現更多商業化的MRAM,PCRAM得以擴展的潛力是其最吸引人的特性之一。「MRAM中記憶體單元的面積大約是PCRAM記憶體單元面積的10倍。以相同的位元大小來看,這表示MRAM記憶體單元數更少得多,因此,MRAM的可擴展性極其令人質疑。」同樣地,他認為ReRAM雖然具有可擴展性,但其成熟度還遠不及PCRAM。因此,儘管ReRAM將繼續吸引更多投資,但PCM的好處更直接。

Pozidis說,PCRAM仍然像其他新型記憶體一樣面臨障礙——提出一種得以取代現有技術(特別是快閃記憶體Flash)的更經濟論據。PCM如今更有本錢能夠和Flash競爭了——藉由將更多記憶體單元相互疊加,同時在每個單元中塞進更多的位元。他說,從材料的角度來看,PCRAM如今正處於更好的位置,就像3D Xpoint展現的商業可行性。

Leti先進記憶體實驗室(Advanced Memory Lab)負責人Etienne Nowak說,與PCRAM有關的材料可以追溯到50年前,這意味著即使過去十年來才陸續展開相關研究,但已有助於善加理解這些材料。PCRAM通常由硫族元素的典型玻璃狀材料組成,例如硫、硒和碲。從高度非晶材料排列到晶體排列,這些相變材料均使用熱作為編程機制。材料堆疊的順序決定了電阻水平,而且也必須正確地沉積材料,因為晶圓的中央與邊緣的成分必須均勻,才能避免影響相變記憶體。

Micron X100

與英特爾共同開發3D Xpoint技術的美光科技最近發表其X100 NVMe SSD,這是該公司首款基於3D XPoint技術的新型高性能記憶體解決方案系列產品。(來源:Micron)

Nowak表示,除了熟悉這些材料,未來也還有更多進步的空間。「實體方面,我們仍然無法突破這種材料的限制。」而從製造面來看,更小的尺寸也造成了挑戰,因為所涉及的材料都有其獨特的沉積問題。他說:「我們認為目前的挑戰是如何在不影響性能的情況下繼續擴展。但從理論上來看,尺寸當然是越小越好。」

德國默克公司(Merck KGaA)旗下的功能材料業務——Intermolecular, Inc.,是一家在美國和加拿大經營其EMD高性能材料的公司,並與全球各地的半導體製造商合作,協助他們解決一部份的材料挑戰。該公司技術長Karl Littau表示,PCRAM仍然無法擴展,同樣地,垂直3D NAND的製造技術也存在這樣的限制,因為它必須逐層搭建,每一層都必須採用其關鍵的微影技術和蝕刻步驟。這表示4層PCRAM元件的成本大約是2層PCRAM元件的2倍,因此,儘管Optane已經出現了,但究竟哪一種版本的非揮發性記憶體將會是最後的贏家,目前還不明朗。「你當然不可能製造出128層元件,而且還比現有技術更具成本競爭力!」

為了製造性能良好且可經濟生產的元件,材料的角色至關重要。Littau說,「當英特爾推出Optane時,大家真的都很興奮,因為英特爾和美光顯然覺得已經解決這些問題了,因而能夠發表可行的商用化產品。但至於它究竟能多麼成功地符合需求,就只能由時間來證明一切。」Littau說,從它所展現的基本性能很難提出任何有力的論據,而且也還不清楚它是否具有足夠的經濟規模。

Littau表示,在推出自家產品之前,許多製造商都將持續關注Optane究竟能在市場上展現多大的成就。對於一項新技術(例如Optane)而言,學習曲線總會是整個過程的一部份,而且在早期階段的製造成本也是相當昂貴的。「但究竟要到學習曲線的哪個階段才能攤平,目前尚不清楚。」

編譯:Susan Hong

(參考原文:Does PCRAM Have Potential Beyond Optane?,by Gary Hilson)