非易失性存储发展现状及展望

吴丽芳

摘要：很多存储系统的写操作程序中，内存作为控制器和硬盘之间的重要桥梁，提供更快速的性能，但是如果发生突然间断电的情况，如何保护内存中的数据不丢失，这是存储系统中老生常谈的议题。该文介绍了锂电池和NVDIMM在非易失性存储系统中的应用及优缺点，在该基础上引出了新型的非易失性存储器件忆阻器。忆阻器是除电阻、电容、电感之外的第四种电路元件，在非易失性存储领域具有重要的应用前景。文中综述了非易失性存储技术的研究进展，指出了目前忆阻器的主要研究方向，并对今后的发展趋势进行了展望。

关键词：非易失性存储；忆阻器；锂电池；超级电容；NVDIMM

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）22-0229-03

1 背景介绍

各种规模的企业都在经历着数据量的爆炸性增长，互联网、电子邮件、各种应用软件的出现，产生了大量的数据，导致了数据量呈现出了巨大的增长态势。据IDC 2002年10月的保守估计，数据每年大约增加80%，数据正日益成为公司的实际资产之一，因而对于任何组织来说，丢失数据都会带来严重后果。丢失数据可能会付出很大的代价，对身处中小企业（SMB）市场的组织更是如此。在中小企业市场中，企业的存亡可能就取决于其从灾难中恢复的能力。

在云技术发展日新月异的今天，虚拟化技术作为云的核心技术，得到了广泛的关注与创新。与此同时，作为云服务运行的底层载体，虚拟机的数据安全与完整是目前急需解决的重要课题。虚拟机实质为软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统，也就意味着虚拟机的所有运行状态都在内存中。如何解决系统异常掉电情况下虚拟机内存数据的保护，并且能够使其在系统恢复正常运行后继续之前的工作具有重要的意义。

2 锂电池在非易失性存储系统中的应用

2.1 锂电池的优点

锂电池具有高存储能量密度、额定电压高的优点[1]。能量密度大约是铅酸电池的6～7倍，更能满足较长时间的备电要求，锂电池的端电压大小一般为3.6V，便于组成电池电源组。锂电池自放电率很低，高低温适应性强。常温下以开路形式存放30天后，其容量仍然高于额定容量的85%，可以在-20℃到+60℃的环境下使用，高温放电特性优于其他各类电池[2]。锂电池的使用寿命长，可达到6年以上，可安全快速充放电，安全性高[3-4]。此外锂电池是一种洁净的“绿色”化学能源，无污染，无记忆效应，体积小、重量轻[5]。

2.2 锂电池在存储系统中的应用

业界厂商通过锂电池在断电情况下保护内存中的数据72小时不丢失，为消除时间限制，各大厂商又推出锂电池+闪存芯片的技术，如图1所示：

在断电的情况下，锂电池提供电量，将内存中的数据写入到闪存芯片中，这样有效保护内存中的数据。

2.3 锂电池的缺点及局限性

锂电池存在安全性差，使用条件有限制，生产要求条件高，不能大电流放电，工作电压变化较大，必须在电池外围设置保护电路防止其过度充放电，成本高的缺点。

锂电池的充放电本身是一个化学反应，平均支持充放电在1000--1500次，据统计，业界保护内存数据安全的锂电池平均寿命大概1-2年而已，这无疑增加了维护的次数和成本。

3 NVDIMM在非易失性存储系统中的应用

3.1 超级电容的优点

超级电容是近年发展起来的一种新型储能元件，主要是通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但是在其储能的过程中并不发生化学反应，这个工程是可逆的。用于存储电荷的面积越大，分离出的电荷越密集，其电容量越大。

相对锂离子电池，超级电容的储能为物理过程，具有如下优点[6]：充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95%以上；循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1～50万次；能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%；安全可靠、适用温度范围宽（-40℃～+70℃）、无污染。

3.2 存储器性能差异

由图2可以看出，主存储器和HDD硬盘存储器之间存在很大的性能差异，SSDs存储技术虽然缩小了差异，但是差异依然存在，而数据密集型的应用需要快速的访问存储设备。

来自Viking的Adrian Proctor表示，SSD的速度比HDD硬盘快，但却比DDR慢很多，此外DDR没有Flash的写入次数限制，耐久性是Flash的缺点所在。因此只有通过整合DRAM、Flash等主流记忆体，才能解决对持久性、符合成本效益的非易失性内存解决方案不断增长的需求。

3.3 NVDIMM的系统架构及在存储系统中的应用

非易失性内存（NVDIMM）是一项蓬勃发展的实用存储技术， 其系统架构如图3所示，

通过整合DRAM、Flash、智能系统控制器以及超级电容模块，NVDIMM可以提供一个高度稳定的存储子系统。它既保留了最快DRAM的低延迟和无读写次数限制特性，又获得了Flash的数据长期保存特性。而采取超级电容作为供电设备，则避免了电池的环境污染，充电时间长，价格昂贵等缺点。NVDIMM的设计使其可以轻松插入符合行业标准的服务器和存储平台的DIMM插槽，则无需在主板中为其留取安放位置，可以轻松扩展现有装置的性能。

NVDIMM通过与超级电容的有效结合，最终达到非易失性复合记忆的目标，它正得到越来越多的厂家关注和投入其中。系统正常运行时，超级内存表现为普通DRAM，但在掉电时，由超级电容供电数秒，NVDIMM能迅速将内存数据转移到闪存中。当电力恢复后，NVDIMM能快速还原数据，系统瞬间恢复至掉电前的工作状态继续工作，从而达到了掉电保护的目的。

4 新型的非易失性存储器——忆阻器

4.1 传统存储器的缺陷及新型存储技术的发展

随着微电子技术与工艺遵循摩尔定律的高速发展，传统的基于电荷存储的存储器，如SRAM、DRAM和FLASH，其主流存储技术均采用90nm的晶体管进行构建，而当前CPU的尺寸已经达到35nm，基于晶体管工艺的微电子技术已经遇到了技术瓶颈，因而急需寻找一种器件来代替晶体管。为了解决这一技术瓶颈，研究人员进行了大量的研究。利用铁电荷电容，基于铁电材料的高介电常数和电极化特征进行构建的铁电存储器（FeRAM）[7]；通过控制铁磁体中的电子旋转方向来达到改变读取电流大小，从而使其具有存储记忆功能的磁阻存储器（MRAM）[8-9]；利用硫族化合物在晶态和非晶态两种状态下导电特性差异进行存储数据的相变存储器（PCRAM）。然而FeRAM当读写周期到达某个阈值后将失去耐久性，以及成品率、存储性能及可靠性问题限制了其发展，MRAM的磁阻过于微弱，两种状态下磁阻的只有30%-40%的差异，要识别这种差异还是有一定的技术难度，PCRAM的写速度相对于读速度具有较大的速度差异，稳定性与CMOS兼容性也存在一定的问题限制了其商业化发展[10-11]。

4.2 阻变存储器（RRAM）的国内外发展现状

RRAM，又称为忆阻器，为制造非易失性存储设备，模拟人类大脑处理信息的方式铺平了道路。RRAM由两个金属电极夹一个薄介电层组成，在正常状态下它是绝缘体，它以纳米器件加工技术为基础，是一种有记忆功能的非线性电阻，如果把低电阻定义为0， 高电阻定义为1， 则根据其阻值就可以实现数据存储的功能，并且由于忆阻器在能耗与尺寸方面的优势，其有望实现信息存储与处理能力上的突破。1971年 ，蔡少棠从逻辑和公理的观点指出，自然界应该还存在一个电路元件，代表了磁通量与电荷的关系[12]，该器件可以“记住”两端电压的改变从而改变电流的大小；HP在2008年5月1日的《自然》期刊上对其进行了证实；2009年4月， 美国密歇根大学的科学家开发出了一种纳米级的忆阻器芯片，可以存储1K比特的信息；2012年比勒菲尔德大学托马斯博士制造了一种具有学习功能的忆阻器。国内忆阻器的研究相对较少，其大多数研究还处于“探索式”阶段，并没有真正层面上的物理实现。2009年，科技部启动了国际合作项目“忆阻器材料及其原型器件”；2009年3月，美国电气与电子工程师协会的《电子器件快报》杂志发表了成都电子科技大学陈怡然博士及其同事的文章，阐述了三种基于纳米电子自旋效应的磁性忆阻器的模型。华中科技大学历经四年研究，已经能够制备出纳米级性能稳定的忆阻器原型器件。

4.3 忆阻器的原理及优点

每个忆阻器有一个底部的导线与器件的一边接触，一个顶部的导线与另一边接触。忆阻器是一个由两个金属电极夹着的氧化钛层构成的双端，双层交叉开关结构的半导体。其中一层氧化钛掺杂了氧空位，成为一个半导体；相邻的一层不掺杂任何东西，让其保持绝缘体的自然属性，通过检测交叉开关两端电极的阻性，就能判断RRAM的“开”或者“关”状态[13]，如图4所示；

忆阻器的主要优势在于其阻抗变化的非易失性，直至对它施加了一个相反方向的电压，使氧空位动回掺杂层，其关键在于氧空位改变了氧化金属的接触面特性。HP的研究人员经过大量的实验证实忆阻器阻抗的变化不是由于金属的体积变化，而是由于氧空位改变了金属-氧化层接触面的电子势垒。不过，惠普无法找到可靠的材料作为RRAM的夹层，尽管公司尝试用各种非易失性存储器材料做了好几年的试验。惠普曾用有机分子作为存储组件，但有机材料对高温的敏感性迫使惠普开始在无机领域寻找稳定的非易失性材料。后来惠普使用了相对稳定的无机材料如二氧化钛，才真正找到了利用阻性随机访问存储器超越闪存和其他替代性存储器技术的正确方法。

忆阻器（RRAM）除了其独特的“记忆”功能外，有两大特性使其被业界广泛看好。一是其具有更短的存储访问时间，更快的读写速度，其整合了闪存和DRAM的部分特性；二是其存储单元小和制造工业可以升级，忆阻器的尺寸可以做到几个纳米，很有可能将微电子技术的发展带入到下一个十年，而且其可以与CMOS技术相兼容等优势，是下一代非易失性存储技术的发展趋势[14-16]。

5 结束语

本文介绍了非易失性存储的三种实现方式。忆阻器作为一种新型的无源电子元件，以其尺寸小、结构简单、功耗低、非易失性、读写速度快且与CMOS兼容等优点被认为能够替代传统的电荷存储器件。作为第四种基本电路单元，忆阻器在数据存储和断电保护等领域有着巨大的应用潜力，可以极大促进技术发展以及相应的应用开发。目前来看，忆阻器的研究方向主要有三方面，机理方面，以及材料、电极对器件性能的影响。针对机理方面，是材料本质效应还是由于缺陷运动引起至今仍未达成共识；材料方面，RRAM的阻变特性是由于其化学成分还是由于其微观结构决定的也是需要重点研究的方向；电极方面，电极材料热导率和电导率对阻变特性的影响也是未来研究中需要回答的问题。此外，理论研究、实验制备和测试优化仍有大量的工作需要进行，RRAM的可靠性、低噪声，也是不能回避的问题[17]。忆阻器的一个单元可以存储多位，这对未来的大规模商用也具有很大的价值。

随着研究的持续进行，其阻变机理将被提出，可靠性，噪声发面将得到很大的改善，多位存储将很大程度降低其成本，有望使忆阻器延续摩尔定律的发展，解决微电子领域的发展瓶颈，提高机器的运行效率，为非易失性存储带来革命性的变革。

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