新型存储技术：未来方向研究及思考

Storage Class Memory (SCM)是非易失性内存，该类介质的存取速度略比内存慢，但是远快于NAND类介质。本文对该类介质的特性及使用方法做了简单总结和介绍。

目前在研的新型SCM介质种类繁多，但是比较主流的有PCM、ReRAM、PCRAM、RRAM、MRAM和NRAM几大类产品。

PRAM(Phase-Change RAM)利用特殊合金材料在晶态和非晶态下的导电性差异来表示0或者1数据。其优点是结构简单，容易实现大容量、同时具备低成本等特点。

主要用于Cache加速和Cache内存应用，考虑到PRAM的成熟度、对热度敏感和写穿透等因素，在应用中一般搭配DRAM或SRAM一起使用，在填补RAM和Storage之间的性能、容量差距的同时，形成具有分级能力的高速Cache应用资源池；其典型代表为Intel的3D Xpoint。

ReRAM(Resistive RAM)通过在上下电极间施加不同的电压，控制Cell内部导电丝的形成和熔断的状态对外呈现不同的阻抗(忆阻器)值来表示数据；目前典型代表厂商为HPE和Crossbar。

HPE提出了忆阻器内存技术，并计划在新型计算机架构The Machine中使用，未来成为取代SRAM、DRAM形成通用内存(Universal Memory)，主流的SCM技术如下：

随着大数据时代的到来，以及多核、分布式、内存计算、云等技术的不断发展，应用场景对存储系统的要求越来越高，SCM技术的出现为存储系统的发展提供了新的路径。在未来，新型非易失存储介质将进一步在计算机存储系统中崭露头角，特别是当前Intel已经推出了它的SCM技术——3D XPoint，而针对以此为代表的SCM介质在系统级的应用，仍有很多挑战性的问题需要深入研究，这些研究，将可能从以下几个方面展开，特此交流探讨，以启发我们对未来存储系统以及未来上层应用的思考（本文中讨论的研究方向不涉及介质自身的研究和芯片级别的研究）：

MRAM(Magnetic RAM)磁性随机存储器通过电流磁场改变电子自旋方向来表示不同数据状态。比较适用于CPU的高速缓存(如L2 Cache)，代表厂商为Toshiba和Everspin。

在新兴的非易失性二进制存储器中，自旋转矩传递RAM (STT-MRAM)、自旋轨道转矩RRAM (SOT MRAM)和压控MRAM (VC MRAM)因其工作电压低、速度快和耐用性以及先进的CMOS技术兼容性而特别具有吸引力。

台积电研发STT-MRAM解决方案主要是用来克服嵌入式闪存技术的扩展限制。在2021年IEEE会议上，台积电展示了嵌入16nm FinFET CMOS工艺的STT-MRAM的可靠性和抗磁性。

此外，台积电还在积极探索SOT-MRAM和VC-MRAM，并与外部研究实验室、财团和学术合作伙伴合作。台积电的SOT-MRAM探索由高速(<2ns)二进制内存解决方案驱动，该解决方案比传统的6T-SRAM解决方案密度要大得多，同时也更节能。2022年6月，台湾工研院宣布，其与台积电合作开发的低压电流SOT-MRAM，具有高写入效率和低写入电压的特点。工研院表示，其SOT-MRAM实现了0.4纳秒的写入速度和7万亿次读写的高耐久度，还可提供超过10年的数据存储寿命。

NRAM(Nantero’s CNT RAM)碳纳米管随机存储器采用碳纳米管作为开关，控制电路通断表示不同的数据状态。由于碳纳米管尺寸非常小并且具备极强的韧性，因此NRAM密度可以很高、寿命也比较长，理论功耗也比较低。

RRAM：台积电认为，AI和IoT所组成的强大组合AIoT，可能会在未来几年推动半导体行业的增长。高能效机器学习需要具有低功耗的大容量片上存储器。它可以同时支持 1T1R（1 个晶体管 + 1RRAM）和 1S1R（1 个选择器 + 1RRAM）阵列架构。与传统的1T1R架构相比，1S1R架构可以实现更高的密度并实现3D集成。2020年台积电开始生产28nm电阻随机存取存储器(RRAM)，这是台积电为价格敏感的物联网市场所开发的低成本解决方案。

2022年11月25日，英飞凌和台积电宣布，两家公司准备将台积电的RRAM非易失性存储器 (NVM) 技术引入英飞凌的下一代AURIX微控制器 (MCU)，首批基于28纳米 RRAM 技术的样品将于2023年底提供给客户。目前，市场上的大多数 MCU系列都基于嵌入式闪存技术。RRAM的引入对MCU来说是一项新的革新，RRAM NVM可以进一步扩展到 28 纳米及以上。台积电和英飞凌成功为在汽车领域引入RRAM奠定了基础。

台积电还在继续探索新的RRAM材料堆栈及其密度驱动集成，以及可变感知电路设计和编程结构，以实现面向AIoT应用的高密度嵌入式RRAM解决方案选项。

PCRAM：相变随机存储器(PCRAM)是一种基于硫化物玻璃的非易失性存储器。通过控制焦耳加热和淬火，PCRAM在非晶态(高电阻)和晶体态(低电阻)之间过渡的电阻。存储器的电阻状态在很大程度上与非晶态区域的大小及其可控性和稳定性有关。这使得PCRAM细胞独特地能够存储多个状态(电阻)，从而具有比传统二进制存储器更高的有效细胞密度的潜力。PCRAM可以支持阵列配置，包括一个晶体管和一个存储器(1T1R)阵列和密度更大的一个选择器和一个存储器(1S1R)阵列。

相变存储器具有很有前途的多级单元 (MLC) 功能，可满足神经形态和内存计算应用中不断增长的片上存储器容量需求。台积电一直在探索PCRAM材料、电池结构和专用电路设计，以实现AI和ML的近内存和内存计算。台积电的一篇论文中指出，他们提出了三种新颖的 MLC PCM 技术：1）设备需求平衡，2）基于预测的MSB偏置参考，3）位优先布局，以解决神经网络应用中的 MLC 设备挑战。使用测量的 MLC 误码率，所提出的技术可以将 MLC PCM 保留时间提高105倍，同时将ResNet-20推理精度下降保持在3%以内，并在存在时间阻力漂移的情况下，将CIFAR-100数据集的精度下降减少 91% (10.8X)。如下图所示。

1、基于SCM的存储系统的组织结构方法研究

当前存储系统的组织结构是专为易失、读写差异小、几乎无寿命问题的DRAM以及传统的硬盘、NAND等存储介质而设计的，这种系统组织结构对于SCM而言是不适用的，无论是当前的内存管理方法、访问接口设计，还是I/O请求调度等都没有充分考虑SCM的缺点，比如典型的SCM介质PCRAM（相变存储器），其寿命、性能、读写不均衡等问题，都会导致当前技术不能够充分发挥介质的特性，同时还可能会将介质的弱点放大，不利于构建面向未来大数据和内存计算环境的高性能低功耗、大容量的存储系统。

如上所述，从SCM、DRAM、NAND Falsh等多种介质的优缺点出发，研究SＣＭ在异构混合存储系统中的组织方法，合理组合多种存储介质，构建多介质的异构混合存储环境，建立可以充分发挥各存储介质特性的体系结构，解决多介质异构混合存储时的系统优化设计问题，实现新型非易失存储器与现有存储技术和系统的完美融合。

2、基于SCM的存储系统的访问方法研究

传统存储系统中的访问方法是立足于DRAM、NAND Falsh等设计的，它将不再适用于具有可字节编址和位修改等特性的SCM和DRAM，部分SCM介质的读写不对称使其难以按流水线方式执行读写混合I/O请求，且当前SCM与现有内存系统在访问特性上有显著差异，与此同时SCM支持本地修改等异于NAND Falsh的特性也使得当前外存领域的访问方式需要优化和改进。

研究基于SCM存储系统的多接口适配的访问方法，以匹配新型非易失存储器的特性，从而隐藏多介质在访问粒度、延迟、带宽及寿命等方面的差距，提升存储系统的性能。未来研究将可能包括：

①研究SCM在内存环境中字节粒度寻址的读写访问方法，充分挖掘SCM通道间、芯之间以及芯片内部的多层次访问并行性；

②研究在外存环境中块粒度寻址的高效读写访问方法，并遵循业界针对非易失存储器的接口标准（如NVMe协议）；

③优化访问路径，减少系统I/O调用给性能带来的影响；

④利用SCM的读写特点来优化读写操作和流程，以此减少访问延迟；

⑤立足SCM特性优化系统中的数据结构，减少对SCM无用的写操作和写入数据量，以提升系统性能和寿命。

3、基于SCM的存储系统数据可靠性研究

随着工艺制程的降低，非易失存储器的存储单元不断变小，当SCM采用更小制程、提供更高存储密度和更大容量时，其存储单元的错误率随之升高．同时，SCM存储单元的可擦写次数有限（108～1012），频繁的擦写会导致芯片单元很快到达寿命极限．这些将使存储系统面临数据发生错误、损坏以及丢失的风险，对数据可靠性造成了极大的威胁。

未来的研究将立足于SCM的特性，通过多种途径来保障数据的可靠性，研究将可能在以下几个方面展开：

①研究降低当前已有的纠错机制（软硬件）所需的开销；

②研究可配置、适应数据集属性的组合校验算法，即区别不同属性的数据集，根据其所需的可靠性需求采用不同纠错能力和开销的校验算法，以平衡其纠错强度和校验开销；

③研究新的通过减少写操作次数、写入数据量来提升SCM的寿命的策略；

④研究新颖、可用范围广的磨损均衡策略，在现有磨损均衡基础上进行创新、优化，设计出可应用于不同需求环境下的磨损均衡策略，提升SCM寿命；

⑤研究基于SCM的坏块复用和数据容错机制，进一步增加SCM的使用寿命，提高数据可靠性；

⑥研究数据一致性的保障和维护，根据存储系统数据一致性需求、访问接口粒度等因素，设计低开销、多路径的数据更新策略和数据一致性维护方法。

4、基于SCM的存储系统数据安全性保障研究

由于SCM具有非易失性，即当系统断电时，SCM存储的数据并不会消失，从而通过恶意修改数据所导致的执行状态可能是持久的，即使设备断电，系统也会存在冷启动攻击的风险．因此非易失特性会使系统被入侵和数据被盗窃的风险增大．所以当采用SCM构建内存子系统时，需要考虑数据的安全性保障机制。

对此，未来该领域还需要研究针对操作系统的加密机制，通过加密模块对写入SCM的数据进行加密，防止存储数据被窃取或泄密的情况发生；研究利用访问权限控制等策略来保证数据的访问安全性；特别针对ＰＣＭ中的系统关键数据，需采用强度更高的加密、上锁等算法，防止恶意的入侵修改所引起的系统安全问题，保障基于SCM的存储系统的数据安全性。

5、基于SCM的存储系统软件优化研究

由于SCM异于传统存储介质的特性，使得SCM存储技术不能良好地兼容当前存储系统的内存管理、文件系统等软件架构。基于SCM的存储系统，在软件层仍然需要改进，以进一步优化和提升存储系统的性能。

未来基于SCM的存储系统软件优化研究将可能包括：

①结合各存储介质的特性，基于SCM存储管理架构，研究冷热数据识别算法和数据热度分级管理等软件策略，降低存储系统中的读写操作开销，实现负载均衡；

②立足于SCM在存储系统中的应用场景（如统一内外存），针对SCM支持本地修改、位修改和可字节编址等特性，研究适应于SCM的文件系统，从而提升文件系统乃至存储系统的性能；

③研究基于SCM的内存分配机制及其优化策略，从操作系统层入手面向文件系统、虚拟内存等进行优化，降低页面分配等多种内存管理开销，充分地利用SCM的非易失性提高系统性能；

④研究设计新的软件调度算法，通过调度策略的设计和优化，达到系统性能的提升。

6、基于SCM的存储硬件原型系统的研究

由于真正的SCM芯片还没实现市场的量产，目前也就只有Intel的ColdStream问世，因此现有的研究还面临着几乎没有可用的基于SCM的真实硬件原型平台的尴尬局面，绝大多数研究均是在软件模拟器上进行的，当前比较成熟的模拟器有PCRAMsim、Simics、M5和DRAMsim以及近些年备受学者青睐的全系统模拟器GEM5。

由于SCM技术研究还处于起步阶段，其应用场景和价值尚未完全开发实现；而且目前市面上的主流存储器仍然不是SCM，适合于当前存储环境的大容量、高性能的SCM物理芯片稀贵，这些都导致当前系统级的研究几乎全都是基于软件模拟器进行的，从而无法获取最真实的实验数据以进行更加专业、深入的研究。

利用SCM物理芯片，实现真实的存储硬件原型系统，包括基于SCM的内存原型系统和外存原型系统，甚至于搭建基于SCM的专用硬件系统，比如基于SCM的DIMM条，基于SCM的全新硬件框架，基于SCM的高速通信通道等等，以解决目前相关研究没有原型平台的尴尬局面，通过在平台上获得最真实的数据，展开更有说服力、有数据依据的相关研究，将对当前内／外存储系统架构的研究工作起到积极作用。

7、基于SCM的事务性存储系统研究

事物存储技术作为存储领域最为关键的技术之一，几乎被应用于所有数据库系统与文件系统。随着闪存等介质的广泛应用，存储体系结构正面临着较大的变革，在这种背景下；因此在SCM技术的到来的背景下，研究基于SCM的事务性存储系统比较迫切。

针对目前SCM介质应用于事务处理技术，如下几个问题还需要进一步探索和研究：

①事务存储接口：如何提高实用性且支持不同特性事务的设备接口；

②数据可用性：如何高效迅速的进行故障恢复；

③系统可扩展性：分布式环境下，如何利用SCM提供高效的事务处理，多核环境下的分布式系统中如何提供更加优秀的日志等技术能力；

④数据可靠性：如何保证新介质中数据的可靠性持久化能力等等。

8、基于SCM的上层应用研究

在上述研究内容的背景下，显而易见可以看出SCM的多种优势都将会给未来的存储系统以及计算机其他技术领域带来变革，那么，面向SCM技术的内存数据库、面向SCM技术的实时分析应用、面向SCM技术的内存计算技术、面向SCM的大数据服务等等，都将可能会因为SCM的到来，有了新的机会和变革窗口。

这些领域的研究，最直接的，比如考虑将当前的存储介质全部换成SCM后，在性能得到收益的同时，应该如何应对新的问题，将是未来的研究重点。

审核编辑 ：李倩