非易失性存儲(chǔ)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

吳麗芳

摘要：很多存儲(chǔ)系統(tǒng)的寫操作程序中，內(nèi)存作為控制器和硬盤之間的重要橋梁，提供更快速的性能，但是如果發(fā)生突然間斷電的情況，如何保護(hù)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)不丟失，這是存儲(chǔ)系統(tǒng)中老生常談的議題。該文介紹了鋰電池和NVDIMM在非易失性存儲(chǔ)系統(tǒng)中的應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn)，在該基礎(chǔ)上引出了新型的非易失性存儲(chǔ)器件憶阻器。憶阻器是除電阻、電容、電感之外的第四種電路元件，在非易失性存儲(chǔ)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。文中綜述了非易失性存儲(chǔ)技術(shù)的研究進(jìn)展，指出了目前憶阻器的主要研究方向，并對(duì)今后的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：非易失性存儲(chǔ)；憶阻器；鋰電池；超級(jí)電容；NVDIMM

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）22-0229-03

1 背景介紹

各種規(guī)模的企業(yè)都在經(jīng)歷著數(shù)據(jù)量的爆炸性增長(zhǎng)，互聯(lián)網(wǎng)、電子郵件、各種應(yīng)用軟件的出現(xiàn)，產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致了數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)出了巨大的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。據(jù)IDC 2002年10月的保守估計(jì)，數(shù)據(jù)每年大約增加80%，數(shù)據(jù)正日益成為公司的實(shí)際資產(chǎn)之一，因而對(duì)于任何組織來(lái)說(shuō)，丟失數(shù)據(jù)都會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重后果。丟失數(shù)據(jù)可能會(huì)付出很大的代價(jià)，對(duì)身處中小企業(yè)（SMB）市場(chǎng)的組織更是如此。在中小企業(yè)市場(chǎng)中，企業(yè)的存亡可能就取決于其從災(zāi)難中恢復(fù)的能力。

在云技術(shù)發(fā)展日新月異的今天，虛擬化技術(shù)作為云的核心技術(shù)，得到了廣泛的關(guān)注與創(chuàng)新。與此同時(shí)，作為云服務(wù)運(yùn)行的底層載體，虛擬機(jī)的數(shù)據(jù)安全與完整是目前急需解決的重要課題。虛擬機(jī)實(shí)質(zhì)為軟件模擬的具有完整硬件系統(tǒng)功能的、運(yùn)行在一個(gè)完全隔離環(huán)境中的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，也就意味著虛擬機(jī)的所有運(yùn)行狀態(tài)都在內(nèi)存中。如何解決系統(tǒng)異常掉電情況下虛擬機(jī)內(nèi)存數(shù)據(jù)的保護(hù)，并且能夠使其在系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行后繼續(xù)之前的工作具有重要的意義。

2 鋰電池在非易失性存儲(chǔ)系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 鋰電池的優(yōu)點(diǎn)

鋰電池具有高存儲(chǔ)能量密度、額定電壓高的優(yōu)點(diǎn)[1]。能量密度大約是鉛酸電池的6～7倍，更能滿足較長(zhǎng)時(shí)間的備電要求，鋰電池的端電壓大小一般為3.6V，便于組成電池電源組。鋰電池自放電率很低，高低溫適應(yīng)性強(qiáng)。常溫下以開(kāi)路形式存放30天后，其容量仍然高于額定容量的85%，可以在-20℃到+60℃的環(huán)境下使用，高溫放電特性優(yōu)于其他各類電池[2]。鋰電池的使用壽命長(zhǎng)，可達(dá)到6年以上，可安全快速充放電，安全性高[3-4]。此外鋰電池是一種潔凈的“綠色”化學(xué)能源，無(wú)污染，無(wú)記憶效應(yīng)，體積小、重量輕[5]。

2.2 鋰電池在存儲(chǔ)系統(tǒng)中的應(yīng)用

業(yè)界廠商通過(guò)鋰電池在斷電情況下保護(hù)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)72小時(shí)不丟失，為消除時(shí)間限制，各大廠商又推出鋰電池+閃存芯片的技術(shù)，如圖1所示：

在斷電的情況下，鋰電池提供電量，將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫入到閃存芯片中，這樣有效保護(hù)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。

2.3 鋰電池的缺點(diǎn)及局限性

鋰電池存在安全性差，使用條件有限制，生產(chǎn)要求條件高，不能大電流放電，工作電壓變化較大，必須在電池外圍設(shè)置保護(hù)電路防止其過(guò)度充放電，成本高的缺點(diǎn)。

鋰電池的充放電本身是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)，平均支持充放電在1000--1500次，據(jù)統(tǒng)計(jì)，業(yè)界保護(hù)內(nèi)存數(shù)據(jù)安全的鋰電池平均壽命大概1-2年而已，這無(wú)疑增加了維護(hù)的次數(shù)和成本。

3 NVDIMM在非易失性存儲(chǔ)系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 超級(jí)電容的優(yōu)點(diǎn)

超級(jí)電容是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型儲(chǔ)能元件，主要是通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能。它是一種電化學(xué)元件，但是在其儲(chǔ)能的過(guò)程中并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這個(gè)工程是可逆的。用于存儲(chǔ)電荷的面積越大，分離出的電荷越密集，其電容量越大。

相對(duì)鋰離子電池，超級(jí)電容的儲(chǔ)能為物理過(guò)程，具有如下優(yōu)點(diǎn)[6]：充電速度快，充電10秒～10分鐘可達(dá)到其額定容量的95%以上；循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)1～50萬(wàn)次；能量轉(zhuǎn)換效率高，過(guò)程損失小，大電流能量循環(huán)效率≥90%；安全可靠、適用溫度范圍寬（-40℃～+70℃）、無(wú)污染。

3.2 存儲(chǔ)器性能差異

由圖2可以看出，主存儲(chǔ)器和HDD硬盤存儲(chǔ)器之間存在很大的性能差異，SSDs存儲(chǔ)技術(shù)雖然縮小了差異，但是差異依然存在，而數(shù)據(jù)密集型的應(yīng)用需要快速的訪問(wèn)存儲(chǔ)設(shè)備。

來(lái)自Viking的Adrian Proctor表示，SSD的速度比HDD硬盤快，但卻比DDR慢很多，此外DDR沒(méi)有Flash的寫入次數(shù)限制，耐久性是Flash的缺點(diǎn)所在。因此只有通過(guò)整合DRAM、Flash等主流記憶體，才能解決對(duì)持久性、符合成本效益的非易失性內(nèi)存解決方案不斷增長(zhǎng)的需求。

3.3 NVDIMM的系統(tǒng)架構(gòu)及在存儲(chǔ)系統(tǒng)中的應(yīng)用

非易失性內(nèi)存（NVDIMM）是一項(xiàng)蓬勃發(fā)展的實(shí)用存儲(chǔ)技術(shù)， 其系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，

通過(guò)整合DRAM、Flash、智能系統(tǒng)控制器以及超級(jí)電容模塊，NVDIMM可以提供一個(gè)高度穩(wěn)定的存儲(chǔ)子系統(tǒng)。它既保留了最快DRAM的低延遲和無(wú)讀寫次數(shù)限制特性，又獲得了Flash的數(shù)據(jù)長(zhǎng)期保存特性。而采取超級(jí)電容作為供電設(shè)備，則避免了電池的環(huán)境污染，充電時(shí)間長(zhǎng)，價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。NVDIMM的設(shè)計(jì)使其可以輕松插入符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器和存儲(chǔ)平臺(tái)的DIMM插槽，則無(wú)需在主板中為其留取安放位置，可以輕松擴(kuò)展現(xiàn)有裝置的性能。

NVDIMM通過(guò)與超級(jí)電容的有效結(jié)合，最終達(dá)到非易失性復(fù)合記憶的目標(biāo)，它正得到越來(lái)越多的廠家關(guān)注和投入其中。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，超級(jí)內(nèi)存表現(xiàn)為普通DRAM，但在掉電時(shí)，由超級(jí)電容供電數(shù)秒，NVDIMM能迅速將內(nèi)存數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到閃存中。當(dāng)電力恢復(fù)后，NVDIMM能快速還原數(shù)據(jù)，系統(tǒng)瞬間恢復(fù)至掉電前的工作狀態(tài)繼續(xù)工作，從而達(dá)到了掉電保護(hù)的目的。

4 新型的非易失性存儲(chǔ)器——憶阻器

4.1 傳統(tǒng)存儲(chǔ)器的缺陷及新型存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展

隨著微電子技術(shù)與工藝遵循摩爾定律的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的基于電荷存儲(chǔ)的存儲(chǔ)器，如SRAM、DRAM和FLASH，其主流存儲(chǔ)技術(shù)均采用90nm的晶體管進(jìn)行構(gòu)建，而當(dāng)前CPU的尺寸已經(jīng)達(dá)到35nm，基于晶體管工藝的微電子技術(shù)已經(jīng)遇到了技術(shù)瓶頸，因而急需尋找一種器件來(lái)代替晶體管。為了解決這一技術(shù)瓶頸，研究人員進(jìn)行了大量的研究。利用鐵電荷電容，基于鐵電材料的高介電常數(shù)和電極化特征進(jìn)行構(gòu)建的鐵電存儲(chǔ)器（FeRAM）[7]；通過(guò)控制鐵磁體中的電子旋轉(zhuǎn)方向來(lái)達(dá)到改變讀取電流大小，從而使其具有存儲(chǔ)記憶功能的磁阻存儲(chǔ)器（MRAM）[8-9]；利用硫族化合物在晶態(tài)和非晶態(tài)兩種狀態(tài)下導(dǎo)電特性差異進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的相變存儲(chǔ)器（PCRAM）。然而FeRAM當(dāng)讀寫周期到達(dá)某個(gè)閾值后將失去耐久性，以及成品率、存儲(chǔ)性能及可靠性問(wèn)題限制了其發(fā)展，MRAM的磁阻過(guò)于微弱，兩種狀態(tài)下磁阻的只有30%-40%的差異，要識(shí)別這種差異還是有一定的技術(shù)難度，PCRAM的寫速度相對(duì)于讀速度具有較大的速度差異，穩(wěn)定性與CMOS兼容性也存在一定的問(wèn)題限制了其商業(yè)化發(fā)展[10-11]。

4.2 阻變存儲(chǔ)器（RRAM）的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

RRAM，又稱為憶阻器，為制造非易失性存儲(chǔ)設(shè)備，模擬人類大腦處理信息的方式鋪平了道路。RRAM由兩個(gè)金屬電極夾一個(gè)薄介電層組成，在正常狀態(tài)下它是絕緣體，它以納米器件加工技術(shù)為基礎(chǔ)，是一種有記憶功能的非線性電阻，如果把低電阻定義為0， 高電阻定義為1， 則根據(jù)其阻值就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能，并且由于憶阻器在能耗與尺寸方面的優(yōu)勢(shì)，其有望實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)與處理能力上的突破。1971年 ，蔡少棠從邏輯和公理的觀點(diǎn)指出，自然界應(yīng)該還存在一個(gè)電路元件，代表了磁通量與電荷的關(guān)系[12]，該器件可以“記住”兩端電壓的改變從而改變電流的大?。籋P在2008年5月1日的《自然》期刊上對(duì)其進(jìn)行了證實(shí)；2009年4月， 美國(guó)密歇根大學(xué)的科學(xué)家開(kāi)發(fā)出了一種納米級(jí)的憶阻器芯片，可以存儲(chǔ)1K比特的信息；2012年比勒菲爾德大學(xué)托馬斯博士制造了一種具有學(xué)習(xí)功能的憶阻器。國(guó)內(nèi)憶阻器的研究相對(duì)較少，其大多數(shù)研究還處于“探索式”階段，并沒(méi)有真正層面上的物理實(shí)現(xiàn)。2009年，科技部啟動(dòng)了國(guó)際合作項(xiàng)目“憶阻器材料及其原型器件”；2009年3月，美國(guó)電氣與電子工程師協(xié)會(huì)的《電子器件快報(bào)》雜志發(fā)表了成都電子科技大學(xué)陳怡然博士及其同事的文章，闡述了三種基于納米電子自旋效應(yīng)的磁性憶阻器的模型。華中科技大學(xué)歷經(jīng)四年研究，已經(jīng)能夠制備出納米級(jí)性能穩(wěn)定的憶阻器原型器件。

4.3 憶阻器的原理及優(yōu)點(diǎn)

每個(gè)憶阻器有一個(gè)底部的導(dǎo)線與器件的一邊接觸，一個(gè)頂部的導(dǎo)線與另一邊接觸。憶阻器是一個(gè)由兩個(gè)金屬電極夾著的氧化鈦層構(gòu)成的雙端，雙層交叉開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。其中一層氧化鈦摻雜了氧空位，成為一個(gè)半導(dǎo)體；相鄰的一層不摻雜任何東西，讓其保持絕緣體的自然屬性，通過(guò)檢測(cè)交叉開(kāi)關(guān)兩端電極的阻性，就能判斷RRAM的“開(kāi)”或者“關(guān)”狀態(tài)[13]，如圖4所示；

憶阻器的主要優(yōu)勢(shì)在于其阻抗變化的非易失性，直至對(duì)它施加了一個(gè)相反方向的電壓，使氧空位動(dòng)回?fù)诫s層，其關(guān)鍵在于氧空位改變了氧化金屬的接觸面特性。HP的研究人員經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)證實(shí)憶阻器阻抗的變化不是由于金屬的體積變化，而是由于氧空位改變了金屬-氧化層接觸面的電子勢(shì)壘。不過(guò)，惠普無(wú)法找到可靠的材料作為RRAM的夾層，盡管公司嘗試用各種非易失性存儲(chǔ)器材料做了好幾年的試驗(yàn)?；萜赵糜袡C(jī)分子作為存儲(chǔ)組件，但有機(jī)材料對(duì)高溫的敏感性迫使惠普開(kāi)始在無(wú)機(jī)領(lǐng)域?qū)ふ曳€(wěn)定的非易失性材料。后來(lái)惠普使用了相對(duì)穩(wěn)定的無(wú)機(jī)材料如二氧化鈦，才真正找到了利用阻性隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器超越閃存和其他替代性存儲(chǔ)器技術(shù)的正確方法。

憶阻器（RRAM）除了其獨(dú)特的“記憶”功能外，有兩大特性使其被業(yè)界廣泛看好。一是其具有更短的存儲(chǔ)訪問(wèn)時(shí)間，更快的讀寫速度，其整合了閃存和DRAM的部分特性；二是其存儲(chǔ)單元小和制造工業(yè)可以升級(jí)，憶阻器的尺寸可以做到幾個(gè)納米，很有可能將微電子技術(shù)的發(fā)展帶入到下一個(gè)十年，而且其可以與CMOS技術(shù)相兼容等優(yōu)勢(shì)，是下一代非易失性存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[14-16]。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了非易失性存儲(chǔ)的三種實(shí)現(xiàn)方式。憶阻器作為一種新型的無(wú)源電子元件，以其尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、非易失性、讀寫速度快且與CMOS兼容等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為能夠替代傳統(tǒng)的電荷存儲(chǔ)器件。作為第四種基本電路單元，憶阻器在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和斷電保護(hù)等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力，可以極大促進(jìn)技術(shù)發(fā)展以及相應(yīng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。目前來(lái)看，憶阻器的研究方向主要有三方面，機(jī)理方面，以及材料、電極對(duì)器件性能的影響。針對(duì)機(jī)理方面，是材料本質(zhì)效應(yīng)還是由于缺陷運(yùn)動(dòng)引起至今仍未達(dá)成共識(shí)；材料方面，RRAM的阻變特性是由于其化學(xué)成分還是由于其微觀結(jié)構(gòu)決定的也是需要重點(diǎn)研究的方向；電極方面，電極材料熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率對(duì)阻變特性的影響也是未來(lái)研究中需要回答的問(wèn)題。此外，理論研究、實(shí)驗(yàn)制備和測(cè)試優(yōu)化仍有大量的工作需要進(jìn)行，RRAM的可靠性、低噪聲，也是不能回避的問(wèn)題[17]。憶阻器的一個(gè)單元可以存儲(chǔ)多位，這對(duì)未來(lái)的大規(guī)模商用也具有很大的價(jià)值。

隨著研究的持續(xù)進(jìn)行，其阻變機(jī)理將被提出，可靠性，噪聲發(fā)面將得到很大的改善，多位存儲(chǔ)將很大程度降低其成本，有望使憶阻器延續(xù)摩爾定律的發(fā)展，解決微電子領(lǐng)域的發(fā)展瓶頸，提高機(jī)器的運(yùn)行效率，為非易失性存儲(chǔ)帶來(lái)革命性的變革。

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