跟蹤當今嵌入式系統的新興內存

2022-07-21

當大多數設計人員在電子產(chǎn)品環(huán)境中聽(tīng)到“內存”一詞時(shí)，他們可能會(huì )想到閃存或DDR3/4。這些技術(shù)當然很受歡迎，但其他新興技術(shù)正在為特定應用的嵌入式系統取得進(jìn)展。即使DDR5規范即將推出，傳統存儲器仍將在某些嵌入式應用中占有一席之地。

對于嵌入式設計人員，有大量可用于新系統的存儲器選項。新產(chǎn)品正在跨內存類(lèi)型發(fā)布，即使較大的內存供應商專(zhuān)注于具有較小部件數量的大客戶(hù)。具有諷刺意味的是，其中一些新興的內存產(chǎn)品根本不是新產(chǎn)品，因為舊的內存類(lèi)型仍然在新產(chǎn)品中發(fā)揮作用。

將傳統和新興內存與應用程序相匹配

內存是那些不會(huì )消失的組件之一，即使更先進(jìn)的內存類(lèi)型進(jìn)入市場(chǎng)。隨著(zhù)像三星這樣的大公司將其早期的DDR產(chǎn)品標記為EOL并專(zhuān)注于最新最好的產(chǎn)品，較小的公司已經(jīng)加強了廣泛的產(chǎn)品組合，包括從NAND閃存到DDR2的所有產(chǎn)品。嵌入式系統設計人員仍然可以訪(fǎng)問(wèn)這些早期產(chǎn)品，無(wú)論是作為獨立的大容量芯片還是集成到處理器中。

即使領(lǐng)先的半導體公司專(zhuān)注于經(jīng)過(guò)驗證的技術(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器的實(shí)驗類(lèi)型也是深入研究和商業(yè)化的主題。目標是開(kāi)發(fā)能夠支持即將到來(lái)的技術(shù)的產(chǎn)品，如人工智能、邊緣計算、自動(dòng)駕駛汽車(chē)和其他我們可能沒(méi)有想到的設備。下表顯示了一些舊存儲器和新存儲器的應用領(lǐng)域，以進(jìn)行比較。

嵌入式產(chǎn)品的新興內存

由于內存應用的范圍與市場(chǎng)上的產(chǎn)品線(xiàn)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算。相反，鑒于即將推出的RAM類(lèi)型的獨特功能，它們可能僅限于嵌入式系統、數據中心、移動(dòng)設備、智能系統和許多其他領(lǐng)域的一些利基應用。讓我們看看其中一些新興的內存類(lèi)型。

FRAM和MRAM

這兩種技術(shù)都值得比較，因為它們都是磁性的，但MRAM顯然更先進(jìn)，并且針對更高級的應用。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(xiě)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。一些應用領(lǐng)域包括：

醫療設備

可穿戴電子產(chǎn)品

物聯(lián)網(wǎng)傳感器陣列

汽車(chē)和工業(yè)產(chǎn)品

富士通 1 MB FRAM 模塊。來(lái)自富士通 MB85RS1MTPNF-G-JNERE1 數據表。

MRAM 的采用率很低，但這僅僅是因為它上市時(shí)間不長(cháng)，代工廠(chǎng)仍在投資產(chǎn)能以滿(mǎn)足預計的需求。MRAM 將每一位數據存儲為磁方向，施加電壓可以使 MRAM 設備有一定的改變狀態(tài)的可能性。這在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )等應用程序中實(shí)際上很有用，其中隨機權重初始化可用于嵌入式 AI 系統。該技術(shù)可能在低功耗 AI ASIC 和 SoC 中很有用，尤其是在 AI 計算塊中。

內存

目前，40nm ReRAM已經(jīng)取得了消費產(chǎn)品的技術(shù)資格，22nm ReRAM從2019年開(kāi)始就進(jìn)入了風(fēng)險生產(chǎn)階段。將高密度ReRAM帶入實(shí)際應用需要克服許多技術(shù)和制造挑戰，所以我們不應該預計下一輪筆記本電腦將在 ReRAM 上運行。

目前低密度 ReRAM 內存陣列的理想應用是傳統計算中的并行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )處理。與 ReRAM 最接近的競爭對手是閃存相比，ReRAM 提供更快的讀/寫(xiě)延遲和更低的功耗，使其適用于需要在高計算應用中快速訪(fǎng)問(wèn)內存的嵌入式系統。然而，ReRAM 不太可能取代 NAND 閃存，因為它有自己的制造困難，可能會(huì )導致成本居高不下。更高級的應用程序（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(jiàn)下文）的更多采用，相變內存終于走出了“新興”類(lèi)別。這項技術(shù)可能是實(shí)現納米級海量數據存儲同時(shí)實(shí)現極端 3D 集成的最佳候選者。然而，由于開(kāi)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(guò)高。盡管如此，IBM仍將 PCRAM 的價(jià)值視為嵌入式 AI 系統中的內存塊，特別是如果它可以集成在芯片級。

英特爾傲騰 MEMPEK1J064GAXT 64 GB Xpoint PCRAM 模塊。

到 2030 年，新興內存產(chǎn)品預計將產(chǎn)生 360 億美元的總收入，增長(cháng)分布在嵌入式應用領(lǐng)域。雖然很容易將其中一種技術(shù)視為內存市場(chǎng)的“贏(yíng)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。