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超级内存技术-NVDIMM

[日期:2014-06-04] 来源:黄恒睿博客  作者:黄恒睿 [字体: ]

  超级内存是一种新的非易失性内存,它的学名叫做NVDIMM,(Non-volatile Dual Inline Memory Module 非易失性双列插入式记忆模块),因为其翻译名冗长,并且由于此项技术用到超级电容,所以我将其命名为超级内存。超级内存是当前国际存储行业最热门的前沿技术之一。

  电脑就像人脑,有短期记忆和长期记忆两种记忆模式。短期数据一般被记忆在内存里,长期数据一般是保持在硬盘里。短期数据变化很快,需要用到内存的高速数据吞吐性能,长期数据不怎么变化,需要保持在像硬盘这样的长期非易失性存储设备里。

  数据不能全部储存在内存里,因为内存是易失性的,一旦失去电力,数据就会丢失。就像人昏过去可能会短暂失忆,电脑(掉电)昏过去,那是肯定会失忆的。数据也不能都储存在硬盘里,虽然硬盘是个非易失性装置,但是他的数据吞吐速度太慢。硬盘是个机械装置,数据被记忆在硬盘里的一道道磁圈上,搬运数据靠硬盘里的机械手(Servo Arm)不断移动寻找正确的磁圈。如果用硬盘来存储不断变化的短期数据,那么你会看到机械手不停的抖动,就像一个得了帕金森症的老人一样。

  那么有没有一种记忆装置,既能被用来记忆短期数据,又能被用来储存长期数据呢。这就是整个计算机行业都在寻找的存储级别记忆技术(Storage Class Memory)。

  存储级别记忆技术(SCM)需要满足以下几个条件。第一,它需要拥有内存(DRAM)那样的高速数据吞吐能力。第二,他必须是非易失性的,能够用来保存长期数据。第三,他需要是低价的,能够经受起市场考验。第四,它应该是一个非机械的固态存储装备。

  SCM将被用来替代内存和硬盘,成为未来统一的数据存储技术。

  在新兴记忆技术中,目前还没有一项技术被真正的披上黄袍,成为公认的存储级别记忆技术(SCM)。有几项记忆体技术有非常大的潜力,下面给大家简单介绍一下。

  (Phase Change Memory)相变记忆技术(有时也被称作相变内存,因为Memory,和DRAM都被翻译成内存,有时会引起误导,所以在我的技术文章里Memory将会被称为记忆体或记忆技术,汉译技术词语由于历史原因有时显得很混乱)简称PCM,是一种非易失性内存记忆技术。它使用了一种特殊的玻璃材料 chalcogenide glass,由一束电流对材料迅速加热和降温,该材料会在晶体和非晶体两个相状态中转变,从而改变该材料的电阻性质,不同的电阻代表了不同的数据,比如高阻为“1”,低阻为“0”,改变和感触它们可以达到写读数据的目的。和传统非易失性记忆技术Flash闪存比,PCM具有高速,长寿,和低损耗的优点,但是同时PCM的读写功耗较大,并且对温度敏感,所以目前还没有被大量商业化。三星,恒忆和intel分别有一些小容量实验产品。

  (Spin -Transfer Torque RAM) 自旋力矩转移随机存储记忆技术,简称STT-RAM,是一种利用磁性物质的电子自旋转方向转换和判别来存储数据的磁记录技术。STT-RAM由磁隧道结 MTJ (Magnetic Tunneling Junction) 和晶体管组成1T1MTJ物理组织。MTJ主要由一层固定磁极磁层(Pinned Ferromagnetic Layer),一层自由磁极磁层(Free Ferromagnetic Layer)和夹在两者中间的氧化隔离层组成。自由磁极磁层的磁极和固定磁极可以相同或相反,这样当小电流通过MTJ时可以得到不同的隧道磁阻(Tunneling Magnetic Resistance)TMR。不同的磁阻代表不同的数据,感触它们就得到了读数据的功能。如果通过的电流足够大,就可以改变自由磁层的磁极,达到写数据的作用。和闪存相比,STT-RAM同样具有高速,长寿和低损耗的特点,并且可以借助标准的CMOS工艺制造,非常适合嵌入式芯片。STT-RAM也需要大电流写数据,单位面积密度没有NAND闪存高。STT-RAM还没有商业化,目前美国的高通和Everspin有小容量实验产品,日本的日立和东北大学也在2009年宣布有实验芯片。

  (Resistive RAM) 可变电阻随机存储记忆技术,简称ReRAM,是一种非常有潜力的非易失记忆技术。ReRAM使用具有忆阻器(Memrister)特性的材料,在不同的电压下,该性质材料显现出不同的电阻特性。这项技术对材料要求很高,和前两种记忆技术相比,它的数据吞吐速率更快,需要的功耗也小,最值得一提的是它的单位存储面积比闪存还要小,表现如果能够大量商品化,它的最终生产成本可能比闪存更低。目前,有很多公司正在研究此项技术,美国的创新公司Crossbar宣传它们已经有了实验产品。日本和韩国也宣布有各自的独立的小容量产品。

  这三种技术都有成为SCM的可能,目前以ReRAM最有希望。这么看起来,三位选手都已经在起跑线上各就各位了,那还有超级内存什么事呢?

  超级内存是一种把内存和闪存通过超级电容有效结合起来以达到非易失性的复合记忆技术。在正常运行中,超级内存和普通DRAM内存并无二至,所有DRAM拥有的优点,超级内存都拥有,在掉电的时候,超级电容给超级内存供电数秒,超级内存迅速将内存数据转移到闪存中。当电力恢复后,超级内存又将数据从闪存里恢复到内存中。就系统而言,超级内存是一款非易失性内存,并且由于使用了普通商用内存和闪存,目前而言它远比上述三种技术经济实用。这样超级内存就拥有了所有SCM的特性。

  我们知道,任何一项技术都不能在一夜之间完全替代原有技术,技术更新是一个渐进的过程。尤其是半导体记忆技术,半导体生产设备投入巨大,一种特殊工艺的代工厂往往需要上亿甚至几十亿美元的资金投入,世界上没有几个大玩家可以玩得起这种游戏。更重要的是这些玩家本身已经在传统内存和闪存生产中投入巨大,显然他们不可能自废武功,用不熟悉的新技术去替代原来的投资,除非这确实可以给他们带来更多的利润。所以,即便今天上述三项技术已经成熟,也不可能立刻替代传统内存,这些技术在目前只会在小范围试用。这就给超级内存提供了机会。

  中国在半导体记忆技术上是远远落后于其他国家的。不要说新型非易失性记忆技术,就是在传统DRAM内存和闪存技术,也只看到有美国,日本,韩国和台湾的厂商。半导体记忆技术需要很多年的技术积累,不大可能一蹴而就。要想在这个技术领域突破,与其在其他玩家的屁股后面苦苦追赶,不如另辟新路。

  SCM技术会给计算机的应用,架构,操作系统带来全新的革新。有了SCM,计算机硬盘将退居二线,高性能计算将会完全在内存中运行而无需低速硬盘操作。操作系统将需要改革来适应这种新的操作方式,将有很多新的挑战和机遇。无论哪一种技术将来夺得SCM的桂冠,这些都是将来的必由之路。如果能够提前入局,借助超级内存,提前在应用,架构和操作系统上研究开发非易失性计算,在商业运用上利用当地的新兴市场建立产业供应链关系,同时在新形非易失性技术(如ReRAM)上有所投入,就可以抵消对手在传统存储技术上几十年的优势。这就好比我开着奔驰先到终点线,取了奖杯拿了奖金,投资得了红利,然后等姗姗来迟的选手到了,对他说,恭喜你获得了桂冠,咱们投资得了利了,加入我的团队吧。呵呵,太不厚道了。

  超级内存使用传统内存和闪存,其技术关键是一个半导体控制芯片,比较适合中国现有的技术水平。目前世界上公开的 有四家公司在开发超级内存NVDIMM这项技术,美国的三家分别是美光-Agiga, Viking Technology, Netlist,中国有我们云动团队,这项技术在各大传统IT厂商得到越来越多的支持,SNIA为此特别开设了NVDIMM_sig这个协会,云动科技也是其成员。和美国的公司比,我们在商业运作上还不够成熟,但是在产品性能上我们有独特之处。首先我们的超级内存是将现有内存条更新换代,用户无需抛弃原有内存。其次我们的控制器搬运速度更快,Viking宣称其产品的搬运速度最高二百兆/秒,而我们的控制器可以达到六百兆/秒,是Viking的三倍。第三我们以超级内存为基础,已经开发出全系统保护计算机,就目前来说在世界上尚属首次。见

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