数据存储技术的进化与跃迁

2023-09-21李静怡

1871阅

人类文明诞生以来，科技的发展都离不开网络、存储和计算，而数据存储的发展历史悠久，堪称万年进化史。最初的远古时代，人类利用结绳、刻字等方法记录信息；造纸术和印刷术的发明使信息记录、传播发生了革命性变革；18世纪初期，工业革命开始萌芽，数据存储技术经历了从打孔卡、磁存储、硬盘到闪存、新型存储阶段的跨越；直到今天，DNA存储、量子存储、纳米存储技术的发明，人类探索高效存储信息的脚步也从未停止。本文将从数据存储技术最初的“形态”谈起，陆续介绍数据存储技术在不同时代的“故事”，最后介绍新时代的存储“新发明”。

引言

《周易·系辞》云：“上古结绳而治”。这句话对结绳记事的描述，记载着早期人类信息存储的方式。在文字诞生之后，造纸术发明之前，人类开始采用在甲骨、竹简、帛书等物件上记录信息；待造纸术和印刷术发明后，书写盛行，极大地促进了文化传播与交流，加快了人类思想解放与社会进步。

数据存储技术的发展，可以说是一段漫长而又充满神奇色彩的历程，承载着人类智慧与技术创新。从最早的打孔卡开始，它逐渐经历了磁存储、硬盘、闪存，以及现在的云存储；这一路的发展不仅见证了数据存储技术的飞速进步，也反映了人类对信息记载与保存的不断追求。

图1 数据存储技术发展历程

机械存储时代

18世纪初，工业革命开始萌芽，数据存储技术首次以机械化形式的打孔卡和打孔带出现在公众视野中，被用在提花织机和工业机器中。1846年，传真机和电传电报机的发明人Alexander Bain将打孔带技术引入电报机，这是数据第一次被转变为二进制信息，大幅提升了工作效率；打孔卡和打孔带直至80年代也仍被使用，持续了两个多世纪。

1890年，为收集和统计美国人口普查数据，在打孔卡技术的基础上，德裔美国统计学家Herman Hollerith发明了打孔卡制表机，仅耗费6周就完成了对美国人口普查的统计；1896年，他又创办了制表机器公司（Tabulating Machine Company），即IBM公司的前身。因此，Herman Hollerith也被称为现代机械数据处理之父。

图2 打孔卡制表机 Herman Hollerith（赫尔曼·何乐礼）

打孔卡制表机的发明，带来了巨大的效率提升，从而迅速普及，标志着半自动化数据处理系统时代的开始，后来逐渐被广泛应用于工业检索及数据统计领域；打孔卡制表机最多可记录960 bits的信息数据，其中穿孔卡和穿孔纸带类似于早期计算机中的输入和输出设备，原理是将程序和数据转换为二进制代码，其中带孔为1，无孔为0，再经过光电扫描输入电脑。

图3 穿孔纸带顺序控制原理

磁存储时代

打孔卡制表机毕竟属于机械式存储技术，虽然相比传统人力有了较大提升，但仍存在存储量低、故障率高等问题。18世纪末，电信号技术的发明宛如一阵清风，将磁介质存储时代的序幕缓缓拉开，人类开始进入由机械向电子过渡的阶段；最早关于磁介质的相关发现，是Oberlin Smith于1888年在英国《电气世界》杂志上发表的一篇可采用磁性介质记录声音的文章。

1898年，丹麦工程师Valdemar Poulsen将Oberlin Smith的想法付诸实践，在电报机中引入了磁线技术，发明了人类第一个实用的磁声记录和再现设备，即磁线电报机，其原理是通过磁头对声音电信号进行传输和记录。1928年，在磁线电报机的基础上，德国工程师Fritz Pfleumer发现移动过程中的磁带被磁化的程度会随音频信号电流的强弱而变化，从而能将音频记录在磁带上，从而发明了录音磁带，录音磁带的发明标志着磁性存储时代的正式开启。

图4 磁线电报机 Fritz Pfleumer的录音磁带

随着工业化和信息化的不断发展，数据信息需要更高效、更便捷的存储方式，1932年，奥地利工程师Gustav Tauschek发明的磁鼓存储器使得磁存储技术跃上新台阶；它是一种利用高速旋转的圆柱体磁性表面作记录媒体的存储设备，由磁鼓筒，磁头，读写及译码电路和控制电路等主要部分组成，长度为16英寸，有40个磁道，每分钟可旋转12500转，容量约为62.5KB；其原理是通过电磁感应进行信息的读写，在磁芯存储器出现之前广泛用于计算机内存，同时也用于做二级存储，被认为是机械硬盘（Hard Disk Drive，HDD）的前身。

图5 磁鼓存储器

第二次世界大战爆发后，军事需求大大刺激了算力的发展。1942年，美国爱荷华州立大学物理系副教授John Vincent Atanasoff和他的学生Clifford Berry设计制造了世界上第一台电子计算机ABC（Atanasoff-Berry Computer），也称为“珍妮机”；对于I/O设备，ABC使用了IBM的80列穿孔卡，采用真空管处理二进制数据，利用再生电容磁鼓存储器对数据进行存储。

图6 世界上第一台电子计算机ABC

在电子计算机诞生的浪潮下，人类算力正式进入数字电子计算机时代之前，人类还探索过几条存储路线。1946年，波兰发明家Jan A. Rajchman团队发明的静电记忆管Selectron Tube是最早的随机存取存储器（Random Access Memory，RAM），使用静电荷存储数据在真空管内，能够短暂存储大约4000字节。1947年，Freddie Williams和Tom Kilburn发明了类似原理的威廉姆斯-基尔伯恩管（Williams–Kilburn tube）并商用。IBM的第一台商用科学计算机701就使用了72个该管做内存，后来磁芯存储器的出现取代了该存储器。

在经历了两次偏离于现代计算机存储的过程后，J. Presper Eckert发明的汞（水银）延迟线存储器（Delay Line Memory）将探索路线拉回磁存储“正轨”，其原理是通过用压力波的传播延迟来存储数据；1945年，J. Presper Eckert和同事John Mauchly在之前的基础上一起设计了第一台通用电子计算机ENIAC，与现代RAM不同的是，其采用的延迟线存储器的工作方式为顺序存取，这大幅降低了计算效率，因此到20世纪50年代中期，延迟线存储器基本已经过时。

图7 延迟线存储器

1947年，美国工程师Frederick Viehe首个申请了磁芯存储器的专利；磁芯存储器性能和可靠性高，成为了替代延迟线存储器的“不二之选”。1948年，华裔科学家王安发明了“脉冲传输控制装置”（Pulse transfer controlling device），实现了对磁芯存储器的读后写（Write-after-Read）；其原理是磁芯根据磁化时电流的方向可以产生两个相反方向的磁化，可作为0/1状态来记录数据；从20世纪50年代、60年代，直至70年代初，磁芯存储一直被广泛用于计算机的主存储器，容量约为几百字节。

图8 磁芯存储器王安

1951年，磁带首次被用于计算机上存储数据，一盘磁带可替代一万张打孔纸卡，使用磁带的设备有磁带机、磁带库，商用计算机史上磁带作为主要的I/O（输入/输出）设备的第一台磁带机称为UNIVAC；磁带可长期保存数据的特性使得其在影片与音乐上快速发展，1963年，飞利浦研制出全球首盘盒式磁带，每面可容纳30到45分钟的立体声音乐，大约可记录0.66MB的数据；据说德国人之所以大力改进磁带技术，是为了传播希特勒的讲话，而美国人则是为了传播流行音乐。磁带存储因支持离线保存，寿命长，容量大且性价比高，至今仍在使用。

图9 UNIVAC 全球首盘盒式磁带

硬盘时代

科技的脚步从未停止，谁也没能想到一个重达一吨，两个冰箱大小的机柜会改变我们看待和处理数据的方式。1956年，IBM发布了世界上第一块硬盘IBM 350 RAMAC，它包含50个24英寸的盘片，能存储500万个字符，约5MB的数据，传输速度达10KB/s；IBM 350 RAMAC以旋转的磁盘方式存储数据，提高了数据的可访问性和可靠性，奠定了现当代大规模数据存储和处理的基础，标志着人类正式进入硬盘时代。

图10 IBM 350 RAMAC

IBM的创新并未止步于此，1962年，IBM发布了第一个可移动硬盘驱动器1311，它有6个14英寸的盘片，可存储2.6MB数据。1973年，IBM又发明了Winchester（温氏）硬盘3340，使用了密封组件、润滑主轴和小质量磁头，这个时候的硬盘开始有了正确的结构，特点是工作时磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触，现代硬盘的基本架构就此确立；容量为60MB，转速略低于3000RPM，采用4张14英寸盘片，
存储密度为每平方英寸1.7MB。

图11 可移动硬盘驱动器1311 温氏磁盘3340

在温氏磁盘3340诞生之后，硬盘的发展方向主要体现在容量上的增大，以及体积上的减小。1980年，IBM推出了第一块GB级别的硬盘；同年，一家还不出名，成立于1979年小公司希捷，发布了一款物美价廉的硬盘，开始与IBM争抢HDD的市场；这款硬盘为ST-506，尺寸为5.25英寸，比3340小很多，容量为5MB，价格为1500刀；不久，希捷又发明了容量为10MB的ST-412。1983年，苏格兰公司Rodime也发布了世界上第一款3.5英寸硬盘，硬盘尺寸的持续变小使得其意义同样深远。

20世纪90年代，诺贝尔物理学奖得主Albert Fert和Peter Grunberg发现了巨磁电阻效应，基于该效应研究的GMR巨磁阻效应磁头技术，以及SMR瓦楞式堆叠磁盘技术，成功将HDD的磁道密度提升了上百倍。2007年是存储技术重要里程碑的一年，日立于2003年收购了IBM硬盘事业部后，率先推出了TB级别的硬盘；该硬盘采用了垂直存储技术，将盘片的磁场方向由平行变为垂直，更好充分利用了存储空间。此外，垂直存储技术能耗小，发热量减小，改善了数据抵抗热退减的能力，提高了硬盘的可靠性。

2010年，氦气封装技术量产，除了让硬盘容量变大以外，温度和能耗也降低了，耐用度和稳定性获得了大幅提升。2022年，希捷推出了容量为22TB，采用叠瓦式的HDD，刷新了HDD最大单盘容量的记录。由于人们对少量数据的便捷存储和交换需求的出现，另外，当时的存储设备存在容量不足等问题，1971年，IBM发布了世界上第一张只读8英寸的最早个人可移介质，即软盘，容量为80KB；1972年，软盘容量增加至175KB，Alan Shugart帮助Memorex公司推出了第一款可读/写的软盘Memorex 650；随着技术的发展，1976年，5.25英寸软盘问世，广泛用于Apple II、IBM PC等兼容电脑上。

1980年，SONY开发了3.5英寸的软盘，容量为1.44MB，容量的提升使软盘成为当时计算机最主要的存储设备之一，并逐渐成为市场标准。区别于早期的平行式存储技术，它采用了磁场方向垂直于盘片表面的记录方式，这种技术使得软盘具有更高的存储密度，此外，软盘还采用了双面双层的记录方式，能够进一步提高存储容量。从1971年直到20世纪90年代的近三十年内，软盘广泛应用于个人电脑和其他电子设备，并带动了计算机行业的快速发展。

图12 3.5英寸软盘

软盘容易损坏，并且没有内置的复制和粘贴功能，人们通常会手动抄写数据或使用额外设备进行复制，相比之下，光盘的存储容量、读写速度、可靠性都更优秀。1965年，美国物理学家家James Russell发明了第一个Compact Disk/CD（数字-光学记录和回放系统），Compact Disk是以模拟信号为存储格式，主要通过激光扫描的方式来读写信息；真正意义上的世界第一部商用CD音频播放器CDP-101，于1982年由SONY和PHILIPS公司发布，光盘就此开始普及，一张光盘可以存放约680MB的数据信息；随着光盘容量逐渐扩大，1995年，IBM牵头将高容量光盘标准统一合并成为DVD，重新定义为Digital Versatile Disc（数字多用途光盘），容量可达4.7GB。

图13 PHILIPS发布的第一台CD

在1956年第一张硬盘被发明的同时，闪存的发展也从未停止脚步，最早从只读存储器（Read-Only Memory，ROM）开始追溯，闪存也经历了从ROM到可电擦除可编程的只读存储器 EEPROM（Elecrically Erasable Programmable ROM，），NOR Flash和NAND Flash相继被发明的阶段。

上世纪50年代，集成电路发明之后，就有了掩膜编程的只读存储器MROM（Mask-programmed ROM），但这类传统的ROM只可读而不可擦除或修改，灵活性差。1956年，美国Bosch Arma公司的华裔科学家周文俊，正式发明了可编程的只读存储器PROM（Programmable ROM），其原理是通过释放高压脉冲以改变内部构造，从而可实现内容一次性修改或编程；早期的PROM主要用于军事领域，后来逐渐应用于民用领域。

闪存时代

1959年，可谓是半导体存储里程碑式发明的一年，贝尔实验室的工程师Mohamed M.Atalla与姜大元共同发明了金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，MOSFET的发明奠定了半导体存储器重要基础元件的地位。基于MOS半导体器件，1967年，姜大元与华裔施敏又提出相应的浮栅，可用于可重编程ROM的存储单元。

图14 默罕默德·阿塔拉与姜大元姜大元（左上）、施敏（右上），浮栅架构

许多企业相继投入到半导体存储的研究，尝试发明可重复读写的存储器以提升PROM的灵活性；基于MOSFET发明，1971年，英特尔Dov Frohman率先发明了可擦除可编程的只读存储器EPROM（Erasable Programmable ROM），EPROM可通过强紫外线反复重置至未编程状态；同年，英特尔又发布了2048位EPROM产品C1702，其采用p-MOS技术。1972年，日本电工实验室的Yasuo Tarui、Yutaka Hayashi和Kiyoko Naga，共同发明了可电擦除可编程的只读存储器 EEPROM（Elecrically Erasable Programmable ROM）。

EEPROM仍存在擦除速度太慢的问题，此时出现了一个划时代的人物，东芝公司的工程师舛冈富士雄；1980年，他发明了一种全新可快速擦除的浮栅存储器Flash（闪存，simultaneously erasable（同步可擦除）EEPROM），但该发明并未得到东芝的重视。1984年，在IEEE国际电子元件会议上，舛冈富士雄正式公开发表了自己的发明NOR Flash，1987年，舛冈富士雄又发明了NAND Flash。

英特尔对舛冈富士雄发明的NOR Flash非常感兴趣，1988年，英特尔基于NOR Flash，生产了第一款商用型NOR Flash闪存芯片，它如同鞋盒一样大小，并被内嵌于一个录音机里，容量为256KB；这款芯片的发布彻底改变了原先由EPROM和EEPROM一统天下的局面，并使Intel成为世界上第一个生产闪存并将其投放市场的公司。1989年，东芝发布了世界上第一个NAND Flash闪存产品，该产品容量大，耐擦除且不易损坏。

图15 NOR Flash 舛冈富士雄

HDD读写速度仅为几十兆每秒，防震抗摔性弱，市场亟需读取速度快，可靠性高的大容量闪存产品，由Eli Harari等人1988年创办的SunDisk公司（现SanDisk，闪迪）逐渐开始打破这个局面。1989年，闪迪公司提交了系统闪存架构专利(“System Flash”)，结合嵌入式控制器、固件和闪存来模拟磁盘存储；同年，英特尔开始发售512KB和1MB NOR Flash。1989年，一家以色列公司M-Systems成立了，该公司首次提出了闪存盘的概念，也就是大家熟知的固态硬盘（Solid State Drive，SSD）。

随着笔记本、数码相机等电子产品的需求扩大，这个阶段的闪存产品可谓为雨后春笋般涌现。1991年，闪迪公司推出了世界上首个基于Flash闪存介质的ATA SSD固态硬盘，容量为20MB，尺寸为2.5英寸。1993年，美国苹果公司正式推出了Newton PDA产品，该产品采用了NOR Flash技术。1994年，闪迪公司又第一个推出了CF存储卡（Compact Flash）；当时，这种存储卡基于NOR Flash技术，用于数码相机等产品。

图16 ATA SSD Newton PDA

手机、便携式摄像机、MP3播放器等消费数码产品需求的爆发，使得整个90年代末闪存市场规模呈现井喷式发展的态势。1995年，M-Systems发布了基于NOR Flash的闪存驱动器——DiskOnChip。1996年，东芝（现铠侠）推出了SmartMedia卡，也称为固态软盘卡。三星随后开始发售NAND Flash，闪迪推出了采用MLC串行NOR Flash技术的第一张闪存卡。1997年，手机开始配置闪存，以及数码相机的出现，促使消费级市场再升级；同年，基于NAND Flash技术，西门子与闪迪合作开发了著名的MMC（多媒体内存，Multi Media Memory）卡。

图17 MMC卡

1999年，东芝公司发现MMC卡可轻松盗版音乐的问题，因此对其进行了改装，通过添加加密硬件的方式对其传输速度和安全性进行了升级，改装后命名为SD卡，容量可为2MB、4MB和8MB；在手机用于通讯以及MP4流行的年代，SD（Secured Digital）卡成为移动数据存储的主力军。手机、笔记本电脑等消费产品的出现，延伸了人们对数据存储便携性的需求，2000年，U盘首次面市，M-Systems和Trek发布了世界上第一个商用USB闪存驱动器，也叫拇指驱动器。

图18 世界上第一个商用USB闪存驱动器

NAND Flash共经历了三代变革。20世纪80年代初至90年代中期，第一代NAND Flash采用 SLC（Static Random Access Memory）技术，存储密度低，存储容量有限，功耗高，可靠性差。90年代中期至2000年左右，第二代NAND Flash采用 NAND技术，存储密度大幅提高，存储容量也得到了极大的扩展，同时采用了 MLC（Multi-level Cell）技术和 PCD（Programmable Configuration Device）技术，提高了 NAND Flash的可靠性和灵活性。

工艺制程进入16nm后，2D NAND的成本急剧上升，平面微缩工艺的难度和成本难以承受，3D NAND技术的出现解决了该问题。2012年，三星正式推出了第一代 3D NAND闪存芯片，随后，闪迪、东芝、Intel、西部数据纷纷发布3D NAND产品，闪存行业正式进入3D时代。

2000年至今的NAND Flash采用NAND技术和3D NAND技术，存储密度进一步提高，存储容量也得到了大幅扩展，并且采用了更先进的 NAND技术，如 NAND Flash垂直堆叠技术、NAND闪存内存接口技术等，使得 NAND闪存存储器件的性能更加优越，在降低能耗的同时，也节约了成本，每字节成本均低于2D NAND。

进入3D NAND时代后，闪存技术的发展可以称的上为“芝麻开花节节高”。2022年5月，美光科技已经宣布推出了232层的3D TLC NAND Flash。SK海力士于2022年8月也发布了238层3D NAND Flash芯片产品；2022年11月，三星已经完成了第八代NAND技术产品的开发，将采用236层3D NAND闪存芯片，容量达1Tb，运行速度为2.4GB/s。2023年8月，SK海力士又发布了321层堆叠4D NAND Flash闪存样品。

新发明、新时代

新型存储技术是在传统的存储技术基础上不断发展而来的；在传统存储技术面临一些挑战时，如存储设备体积不断增大、容量增长而性能提升缓慢等，人们开始探索新的存储方法。目前，新型存储技术主要有4种：相变存储器（PCM）、铁电存储器（FeRAM/FRAM）、磁性存储器（MRAM，第二代为STT-RAM）、和阻变存储器（ReRAM/RRAM）。

PCM

相变存储器（phase-change random access memo，PCM或PCRAM）是一种新兴的非易失性存储器技术，其原理是通过改变温度，让相变材料在结晶态（导电）与非结晶态（非导电）状态间相互转换，并利用两个状态的导电性差异来区分“ 0”态和“ 1”态，从而实现数据存储。

图19 PCM工作原理（图源：永鑫方舟资本）

PCM具有外存NAND Flash的非易失性，以及主存DRAM高读写速度和长寿命的特点，同时兼具低延时、密度高、功耗低、可兼容CMOS工艺等优点，具有将外存和主存合二为一的可能性，未来有希望应用于高性能数据中心、服务器、物联网等场景。此外，目前PCM还未发现有明确的物理极限，研究表明即使相变材料降至2nm厚度，存储器件依旧可以发生相变。因此，PCM可能解决存储器工艺的物理极限问题，成为未来通用的新一代半导体存储器件之一。

PCM的发展历程可以追溯到20世纪60年代，当时Stanford Ovshinsky开始研究无定形物质的性质，1968年，他发现某些玻璃在变相时会存在可逆的电阻系数变化。这个发现启发了他在1970年与他的妻子Iris Ovshinsky共同建立了一个能量转换装置（ECD）公司，该公司专注于研究和发展PCM技术。

在ECD公司与Intel的Gordon Moore合作后，他们在1970年9月28日的Electronics杂志上发表了一篇名为“世界第一个256位半导体相变存储器”的文章；这个里程碑式的发现标志着PCM技术的诞生。但由于过去半导体工艺的限制，相变单元所需驱动电流过大，导致早期的PCM未赢得过多青睐。而后，得益于半导体加工工艺的进步，使具有较小的驱动电流器件成为可能，迎来了PCM的发展契机。

进入21世纪，随着半导体工业界的制备技术和工艺达到深亚微米甚至纳米尺度，PCM技术开始进入快速发展阶段。在2000年，Intel和Ovonyx发表了一份合作与许可协议，这是现代PCM研究与发展的开端。从那时起，多家公司开始致力于PCM技术的研发和商业化，例如Intel、美光科技等。

PCM作为新型存储产业化的先行者，国内外厂商争相布局。2006年，Intel和三星生产了第一款商用PCM芯片。2015年，Intel和美光科技合作开发名为3D XPoint的PCM存储技术。2019年8月，时代全芯发布国内首款PCM产品——2兆位可编程只读PCM，成为继美光科技、三星后少数掌握PCM研发、生产工艺和自主知识产权的公司。

然而，2018年Intel和美光科技结束了3D XPoint的联合开发工作，此后美光科技于2021年宣布停止基于3D XPoint技术产品的进一步开发。至此，PCM的产业化陷入困境。PCM现阶段具有较多应用瓶颈，致使商业化停滞。首先，由于PCM存储过程依赖温度调节，具有对温度的高敏感度，导致其无法应用于宽温场景。其次，PCM存储器采取多层结构，以具备兼容CMOS工艺的特点，致使存储密度过低，无法满足替代 NAND Flash的容量条件。此外，成本和良率也成为其大规模产业化的瓶颈之一。

FeRAM

1952年，铁电随机存取存储器（Ferroelectric Random Access Memory，FeRAM）首次在麻省理工大学Dudley Allen Buck的硕士论文中被提及，论文中提到FeRAM有比闪存更低的耗电量、更高的写入速度、更长的读写寿命等优势。由于存算一体的特性和诸多优势，FeRAM成为新型存储的主流产品之一。1993年，Ramtron公司推出了4KB FeRAM产品，为全球首款可量产的FeRAM产品，此后，FeRAM的更多研发和应用开启新篇章。

图20 FeRAM工作原理（图源：永鑫方舟资本）

FeRAM小部分产品实现量产，潜力可见度提高。根据新思界产业研究中心发布的《2022-2027年中国FRAM行业市场深度调研及发展前景预测报告》，FRAM存储密度较低，容量有限，无法完全取代DRAM与NAND Flash，但在对容量要求不高、读写速度要求高、读写频率高、使用寿命要求长的场景中拥有发展潜力。在消费电子领域，可用于智能手表、智能卡以及物联网设备制造；在汽车领域，可用于高级驾驶辅助系统（ADAS）制造；在工业机器人领域，可用于控制系统制造等。

国内外多家厂商正在积极研发FeRAM存储器，台积电正在探索铁电薄膜和堆叠及其可控性、状态保持性、持久性和可扩展性，以实现与先进CMOS技术集成的高密度、高容量数字存储器；国内拍字节、汇峰等企业也正在积极研究并助推以HfO2为镀膜的FeRAM的产业化落地，拍字节目前还在实验室研发阶段有望量产，汇峰目前已经有130nm制程FeRAM产品可实现小批量量产。并且，已有部分FeRAM存储器成功应用在汽车领域，代表公司Ramtron和Symetrix、英飞凌、日本富士通半导体。

FeRAM技术瓶颈尚在，仍需继续研究突破。当前，FeRAM的工作模式主要包括DRO（破坏性读出）和NDRO（非破坏性读出）两种。在DRO模式中，FeRAM读出后需重新写入数据，信息读取过程中存在着大量的擦除/重写操作，由于不断地极化反转，FeRAM容易发生疲劳失效的问题。NDRO模式无需使栅极的极化状态反转，读出方式是非破坏性的，是一种比较理想的存储方式，但目前这种FeRAM尚处于实验室研究阶段，还未达到实用层面。

MRAM

磁性随机访问存储器（Magnetic Random Access Memory，MRAM）是一种非易失性随机存储器，它拥有SRAM的高速读取写入能力，以及DRAM的高集成度，而且基本上可以无限次的重复写入。MRAM靠磁场极化而非电荷来存储数据，其存储单元由自由磁层、隧道栅层、固定磁层组成。

图21 MRAM工作原理（图源：永鑫方舟资本）

MRAM于1984年发明，后经不断改进。1984年，供职于霍尼韦尔的Arthur Pohm与James Daughton发明了首个磁存储器；由于对环境条件敏感等问题，对MRAM的改进从未停止。1996年，Berger和Slonczewski不约而同的提出了STT-MRAM（自旋扭矩转递）方案；2000年，Spintec实验室获得首个STT-MRAM专利。

STT-MRAM为当前主流商业化方案。自2000年Spintec实验室获得首个STT技术专利开始，STT-MRAM凭借更快的读写速度与更小的尺度逐渐成为主流商业化方案。2005年11月，瑞萨科技与Grandis合作开发65nm工艺的STT-MRAM；2005年12月，索尼推出首款实验室STT-MRAM产品。2008年11月，三星与SK海力士宣布合作开发STT-MRAM；2012年11月，Everspin首次推出容量为64MB的独立式STT-MRAM产品；2019年3月，三星28nm工艺的嵌入式STT-MRAM产品开始量产。

2019年1月，Everspin公司推出基于28nm工艺容量为1GB的STT-MRAM产品，为目前最成熟、容量最大的独立式MRAM量产产品。嵌入式MRAM（eMRAM）主要替代SRAM应用于嵌入式系统中，可避免因电源故障等导致的内存丢失问题。嵌入式MRAM目前受到各大厂商关注，2020年12月，IBM展出世界首个14nm STT-MRAM产品。2022年6月，瑞萨宣布已开发出 22nm嵌入式 STT-MRAM 电路技术。2022年10月，三星研究人员称成功开发14nm eMRAM。MRAM增长点为替代闪存与嵌入式缓存。

由于价格较高，容量短时间无法赶超NAND Flash等原因，独立式MRAM目前主要应用于工业、航空、航天、军工等对可靠性和读写速度要求较高、容量无需太大的领域。随着容量进一步提升，独立式MRAM产品已逐渐进入数据中心等更大规模的市场，未来随着价格下降和容量扩大有望替代NAND Flash等成为主力外部存储产品。目前嵌入式MRAM已成功进入MCU嵌入式系统，并逐步替代慢速SRAM成为工作缓存新方案，应用于相机CMOS等。未来嵌入式MRAM提速降价后有望替代SRAM或eDRAM等高速缓存，进入手机SoC和CPU等产品。

ReRAM

可变电阻式存储器（Resistive Random Access Memory，RRAM或ReRAM）是一种新型的非易失性存储器，这个概念在1971年左右初步形成，2008年，惠普提出了一种被称为忆阻器的ReRAM，并将其用于面向未来的系统“The Machine”中，在惠普放弃忆阻器的研究后，一些研究机构和企业仍在继续探索ReRAM技术。

目前ReRAM仍处于研究和开发阶段，ReRAM以基本单位电阻变化存储数据，氧化层释放氧离子后产生的氧空位与金属层中氧离子的运动共同决定了基本单位的电阻，高低电阻分别对应“0”和“1”。ReRAM结构简单，两侧电极将金属氧化物包夹于中间，从而简化了制造工艺，同时可实现低功耗和高速重写等卓越性能；其具备小于100ns的高速度、耐久性强和多位存储能力的特点。

图22 ReRAM工作原理（图源：永鑫方舟资本）

由于ReRAM存储介质中的导电通道具有随机性，在二进制存储中难以保证大规模阵列的均一性，故而能很好满足神经形态计算和边缘计算等应用对能耗、性能、存储密度的要求，预期将在AIoT、智能汽车、数据中心、AI计算等领域获得广泛应用，被认为是实现存算一体的最佳选择之一。在新兴的存储技术中，ReRAM技术更适合在存储单元中采用多级存储，有利于降低存储器计算的能耗、提高成本效益。

结语

数据存储技术的发展，就像一本厚重的史书，每一页都记载有精心雕琢的故事，描绘着那些年我们如何从最初的石墨纸，演变为如今的云存储。而今，数据存储已经从最初的打孔卡、硬盘，闪存发展至如今的云存储；这个过程就像一部史诗般的电影，展现了人类对于技术的无尽追求和创新的宝贵精神。未来，数据存储技术还将继续发展，如同宇宙的探索一样，未知而充满无限可能。

参考文献

[1] 鲜枣课堂.85页PPT，彻底看懂计算机存储技术！
[2] e小白官方.闪存技术介绍
[3] 千帆竞渡电子研究.存储器行业专题：双墙阻碍算力升级，探讨四大新型存储应用
[4] 永鑫方舟资本.新型存储行业研究
[5] 简矽芯学堂.信息存储技术发展史
[6] ittbank.19家固态硬盘(SSD)主控芯片厂家

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责任编辑：李静怡

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