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技術(shù)專題
跟蹤當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)的新興內(nèi)存
當(dāng)大多數(shù)設(shè)計(jì)人員在電子產(chǎn)品環(huán)境中聽到“內(nèi)存”一詞時(shí)，他們可能會(huì)想到閃存或DDR3/4。這些技術(shù)當(dāng)然很受歡迎，但其他新興技術(shù)正在為特定應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)取得進(jìn)展。即使DDR5規(guī)范即將推出，傳統(tǒng)存儲(chǔ)器仍將在某些嵌入式應(yīng)用中占有一席之地。
對(duì)于嵌入式設(shè)計(jì)人員，有大量可用于新系統(tǒng)的存儲(chǔ)器選項(xiàng)。新產(chǎn)品正在跨內(nèi)存類型發(fā)布，即使較大的內(nèi)存供應(yīng)商專注于具有較小部件數(shù)量的大客戶。具有諷刺意味的是，其中一些新興的內(nèi)存產(chǎn)品根本不是新產(chǎn)品，因?yàn)榕f的內(nèi)存類型仍然在新產(chǎn)品中發(fā)揮作用。
將傳統(tǒng)和新興內(nèi)存與應(yīng)用程序相匹配
內(nèi)存是那些不會(huì)消失的組件之一，即使更先進(jìn)的內(nèi)存類型進(jìn)入市場(chǎng)。隨著像三星這樣的大公司將其早期的DDR產(chǎn)品標(biāo)記為EOL并專注于最新最好的產(chǎn)品，較小的公司已經(jīng)加強(qiáng)了廣泛的產(chǎn)品組合，包括從NAND閃存到DDR2的所有產(chǎn)品。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員仍然可以訪問這些早期產(chǎn)品，無論是作為獨(dú)立的大容量芯片還是集成到處理器中。
即使領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司專注于經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)的最新迭代（例如，DDR5和即將推出的 DDR6），易失性和非易失性存儲(chǔ)器的實(shí)驗(yàn)類型也是深入研究和商業(yè)化的主題。目標(biāo)是開發(fā)能夠支持即將到來的技術(shù)的產(chǎn)品，如人工智能、邊緣計(jì)算、自動(dòng)駕駛汽車和其他我們可能沒有想到的設(shè)備。下表顯示了一些舊存儲(chǔ)器和新存儲(chǔ)器的應(yīng)用領(lǐng)域，以進(jìn)行比較。
嵌入式產(chǎn)品的新興內(nèi)存
由于內(nèi)存應(yīng)用的范圍與市場(chǎng)上的產(chǎn)品線一樣多樣化，因此懷疑其中任何一種將取代DDR4 及更高版本的通用計(jì)算。相反，鑒于即將推出的RAM類型的獨(dú)特功能，它們可能僅限于嵌入式系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心、移動(dòng)設(shè)備、智能系統(tǒng)和許多其他領(lǐng)域的一些利基應(yīng)用。讓我們看看其中一些新興的內(nèi)存類型。
FRAM和MRAM
這兩種技術(shù)都值得比較，因?yàn)樗鼈兌际谴判缘模玀RAM顯然更先進(jìn)，并且針對(duì)更高級(jí)的應(yīng)用。市場(chǎng)上確實(shí)有非易失性FRAM模塊，但它們停滯在4-8 MB。FRAM讀/寫周期也具有低延遲 (~50 ns) 的破壞性，因此這些模塊不適用于高速、大容量系統(tǒng)。一些應(yīng)用領(lǐng)域包括：
醫(yī)療設(shè)備
可穿戴電子產(chǎn)品
物聯(lián)網(wǎng)傳感器陣列
汽車和工業(yè)產(chǎn)品
富士通 1 MB FRAM 模塊。來自富士通 MB85RS1MTPNF-G-JNERE1 數(shù)據(jù)表。
MRAM 的采用率很低，但這僅僅是因?yàn)樗鲜袝r(shí)間不長(zhǎng)，代工廠仍在投資產(chǎn)能以滿足預(yù)計(jì)的需求。MRAM 將每一位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為磁方向，施加電壓可以使 MRAM 設(shè)備有一定的改變狀態(tài)的可能性。這在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用程序中實(shí)際上很有用，其中隨機(jī)權(quán)重初始化可用于嵌入式 AI 系統(tǒng)。該技術(shù)可能在低功耗 AI ASIC 和 SoC 中很有用，尤其是在 AI 計(jì)算塊中。
內(nèi)存
目前，40nm ReRAM已經(jīng)取得了消費(fèi)產(chǎn)品的技術(shù)資格，22nm ReRAM從2019年開始就進(jìn)入了風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)階段。將高密度ReRAM帶入實(shí)際應(yīng)用需要克服許多技術(shù)和制造挑戰(zhàn)，所以我們不應(yīng)該預(yù)計(jì)下一輪筆記本電腦將在 ReRAM 上運(yùn)行。
目前低密度 ReRAM 內(nèi)存陣列的理想應(yīng)用是傳統(tǒng)計(jì)算中的并行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理。與 ReRAM 最接近的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是閃存相比，ReRAM 提供更快的讀/寫延遲和更低的功耗，使其適用于需要在高計(jì)算應(yīng)用中快速訪問內(nèi)存的嵌入式系統(tǒng)。然而，ReRAM 不太可能取代 NAND 閃存，因?yàn)樗凶约旱闹圃炖щy，可能會(huì)導(dǎo)致成本居高不下。更高級(jí)的應(yīng)用程序（例如實(shí)時(shí)分析）需要速度更快、容量更大的東西，例如 PCRAM。
PCRAM
商業(yè)化的 PCRAM 產(chǎn)品可以追溯到 2000 年代初期，但由于英特爾 3D Xpoint 非易失性 RAM（英特爾傲騰，見下文）的更多采用，相變內(nèi)存終于走出了“新興”類別。這項(xiàng)技術(shù)可能是實(shí)現(xiàn)納米級(jí)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)同時(shí)實(shí)現(xiàn)極端 3D 集成的最佳候選者。然而，由于開發(fā)像 Xpoint 這樣的東西需要極其精確的蝕刻和光刻，與其他技術(shù)相比，成本變得過高。盡管如此，IBM仍將 PCRAM 的價(jià)值視為嵌入式 AI 系統(tǒng)中的內(nèi)存塊，特別是如果它可以集成在芯片級(jí)。
英特爾傲騰 MEMPEK1J064GAXT 64 GB Xpoint PCRAM 模塊。
到 2030 年，新興內(nèi)存產(chǎn)品預(yù)計(jì)將產(chǎn)生 360 億美元的總收入，增長(zhǎng)分布在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域。雖然很容易將其中一種技術(shù)視為內(nèi)存市場(chǎng)的“贏家”，但這些技術(shù)中的每一種都在嵌入式領(lǐng)域占有一席之地。