2021年的数字存储预测第二部分：磁记录的预测-电子发烧友网

这是2021年数字存储和存储器行业的最新状态和预测的第二部分。第一部分涉及磁记录的预测（HDD和磁带）。第二部分将重点介绍固态存储和内存的当前状态和预测。我们还将讨论固态设备互连和网络的发展，特别是NVMe和光纤上NVMe（NVMe-oF）以及CXL和Gen Z，它们将在2021年及以后的年份影响计算机和嵌入式设备架构。我们还提供了有关2020 IEEE IEDM会议的见解。

NAND闪存正在成为数据中心和企业中的主要存储，并且是智能手机等消费类产品中选择的存储介质。从全闪存阵列（AFA）到混合闪存系统，2021年的活动数据将存储在SSD上，而二级或较冷的存储将存储在HDD或磁带上。

SSD公司还对带有144层或更高层级NAND闪存（美光宣布2020年在Crucial消费类SSD产品中发布176层NAND闪存）和可存储4个存储单元的四级单元（QLC）闪存施加二级存储HDD的压力。每个闪存单元1位。下面是TechInsights在2020年闪存峰会上由Joengdong Choe提出的闪存路线图，其中显示了NAND闪存的历史和计划进展。

2020 FMS的TechInsights NAND闪存路线图

最近的闪存年度内存密度进步达到30％以上的累积年增长率（CAGR），而HDD不足10％。据推测，能量辅助磁记录将在未来几年内提高HDD的面密度，为二级存储中的HDD提供防御，但时间可以证明。

1TB内存容量的手机现在可以从许多公司购买，包括三星，苹果和谷歌（以及其他几家公司）。下图显示了具有最高1TB内存的Samsung S10 +的图像。在当前NAND闪存供过于求的情况下，较低的NAND闪存价格将鼓励厂商在较低价格的移动设备中提供更多的存储容量。到2021年大部分时间，NAND闪存的供过于求（并因此价格降低）可能会持续下去。

更高性能的无线网络可实现更丰富的内容流或下载。更高的存储容量，再加上更高分辨率的手机屏幕和摄像头，也将导致更高的存储容量消耗，并需要高性能的存储接口。eMMC接口的数据速率受到限制，具有GBps级吞吐量的UFS接口将在2021年及未来的移动设备中扮演更大的角色。

除了移动设备中的更多闪存之外，NOR闪存缩放的局限性以及这些设备中AI应用程序的日益使用可能会推动这些设备中使用的固态存储器/存储的更多变化。如下所述，MRAM和RRAM开始出现在嵌入式设备中，取代了NOR闪存和SRAM，尤其是启用了更密集的存储器AI推理引擎。这些都是非易失性存储技术，它们在手机中的未来使用可以帮助降低功耗并在给定尺寸的裸片中改善AI性能，这都是紧凑型电池供电的移动设备中的重要元素。

现在，NVMe接口已成为新存储系统产品中占主导地位的SSD接口，取代了SATA和SAS。NVME的这种使用将在2021年增长。此外，特别是使用光纤通道和以太网网络的光纤网络上的NVMe（NVMe-oF）正在支持包括计算存储在内的下一代存储系统（有关此内容以及CXL和GenZ在2021年数字存储项目第3部分中介绍）。

下图是当前NVMe路线图，显示了2020年和2021年NVMe 2.0的发布，包括NVMe传输规范。甚至业界都在谈论将具有本机以太网接口的HDD引入本机集成NVMe存储系统。

NVMe规范路线图

英特尔最近宣布了其第二代和第三代Optane（3D XPoint）内存。第二代（4层）基于DIMM（PMem）的Optane产品于2019年推出，该公司于2020年12月推出了Optane NVMe SSD。代号为Crow Pass的第三代Optane内存将与未来的至强可扩展处理器一起提供。（代号为Sapphire Rapids）到云和企业客户。

英特尔基于DIMM的永久性存储器的发展路线图表明，它与几代至强可扩展处理器紧密相连。除了在2020年和2021年推出200系列PMem产品外，下表还显示了至少两代Optane PMem，以支持未来的Xeon处理器。

英特尔傲腾PMem路线图

英特尔的Optane产品已被多家OEM和云提供商采用，因为它们的DRAM存储器价格便宜，而NVMe SSD速度更快。美光于2019年发布了自己的NVMe 3D XPoint SSD，最近我听说他们已经获得了客户的资格认证。Optane SSD和DIMM存储系统的使用量将于2021年增加。

通常在旧金山举行的2020 IEEE国际电子设备会议（IEDM）上有有趣的内存公告，但实际上是在2020年虚拟会议上举行。CMU和ETH Zurich的Onur Mutlu在以内存为中心的计算系统上作了一次全体会议，指出计算系统总内存中约有63％用于移动数据（基于2018年Google在消费者设备上的演示）。他谈到了处理数据所保留的价值以及通过使用低成本数据存储和处理以及智能数据管理来提供低延迟和低能耗的数据访问的价值。

新兴的高性能非易失性存储技术，例如磁随机存取存储器（MRAM），电阻性RAM（RRAM），相变存储器（PCM）和铁电RAM（FRAM），与新的存储器和计算架构相结合，将能够实现更强大的计算和存储系统。

美光公司的Naga Chandrasekaran在全体会议上谈到了DRAM的扩展工艺挑战以及传统存储器的潜在替代方案。下图来自他的演讲，显示了对各种常规和新兴内存技术的比较。

新兴内存格局

英特尔谈到了一种使用堆叠式反铁电HZO电容器的3D嵌入式DRAM，具有长达1小时的保留时间和10的12次方个耐久周期。英特尔还展示了以垂直方式堆叠四个AFE容量，表明密度增加是可能的。意法半导体（ST Microelectronics）与CEA-Leti共同发表了一篇针对汽车SoC的28nm FDSOI（单元尺寸= 0.019µm 2）嵌入式相变存储器（PCM）技术的论文，该技术满足了严格的AEC-Q100 0级汽车可靠性标准。

CEA-Leti发表了两篇论文，介绍了将3D架构与电阻式随机存取存储器（RRAM）结合用于内存计算的优势及其在边缘AI和神经网络中的应用。论文探讨了各种不同的方式来利用3D的优势来降低设备能耗以及数据传输过程中的能量损失。

IBM透露了用于嵌入式MRAM的14nm节点STT-MRAM，用于最后一级的CPU缓存，以解决混合云系统中的内存计算瓶颈。IBM还展示了具有3ns开关和开关电流紧密分布的先进磁性材料。IBM表示，这些交换速度特性是将MRAM用作最后一级缓存的又一关键步骤。关于MRAM及其在各种嵌入式应用中的使用，还进行了其他一些演示。

2020年，有几项关于在各种SoC的嵌入式存储器中使用STT MRAM和RRAM的公告。台积电由Ambiq和Numen生产的产品正在将MRAM用于AI应用，包括消费设备推理引擎和用于太空分布式计算的NASA深度神经网络（DNN）设备。下方显示了由台积电代工厂制造的Ambiq芯片以及2MB的MRAM。台积电还表示，RRAM具有嵌入式设备和产品的资格，应在2021年之前宣布。

支持Ambiq MRAM的嵌入式设备

包括MRAM和3D XPoint内存在内的新内存技术将在2021年及以后的年份中得到越来越多的使用。以下来自Coughlin Associates和Objective Analysis的最新报告的幻灯片显示，预计到2030年NAND闪存，DRAM，3D XPoint和MRAM的年出货量将增长。在独立和嵌入式应用的推动下，到2030年，新兴存储器的总收入将可能超过$ 36B。