跟踪当今嵌入式系统的新(xīn)兴内存

2022-07-21

当大多(duō)数设计人员在電(diàn)子产品环境中听到“内存”一词时，他(tā)们可(kě)能(néng)会想到闪存或DDR3/4。这些技术当然很(hěn)受欢迎，但其他(tā)新(xīn)兴技术正在為(wèi)特定应用(yòng)的嵌入式系统取得进展。即使DDR5规范即将推出，传统存储器仍将在某些嵌入式应用(yòng)中占有(yǒu)一席之地。

对于嵌入式设计人员，有(yǒu)大量可(kě)用(yòng)于新(xīn)系统的存储器选项。新(xīn)产品正在跨内存类型发布，即使较大的内存供应商(shāng)专注于具有(yǒu)较小(xiǎo)部件数量的大客户。具有(yǒu)讽刺意味的是，其中一些新(xīn)兴的内存产品根本不是新(xīn)产品，因為(wèi)旧的内存类型仍然在新(xīn)产品中发挥作用(yòng)。

将传统和新(xīn)兴内存与应用(yòng)程序相匹配

内存是那些不会消失的组件之一，即使更先进的内存类型进入市场。随着像三星这样的大公司将其早期的DDR产品标记為(wèi)EOL并专注于最新(xīn)最好的产品，较小(xiǎo)的公司已经加强了广泛的产品组合，包括从NAND闪存到DDR2的所有(yǒu)产品。嵌入式系统设计人员仍然可(kě)以访问这些早期产品，无论是作為(wèi)独立的大容量芯片还是集成到处理(lǐ)器中。

即使领先的半导體(tǐ)公司专注于经过验证的技术的最新(xīn)迭代（例如，DDR5和即将推出的 DDR6），易失性和非易失性存储器的实验类型也是深入研究和商(shāng)业化的主题。目标是开发能(néng)够支持即将到来的技术的产品，如人工智能(néng)、边缘计算、自动驾驶汽車(chē)和其他(tā)我们可(kě)能(néng)没有(yǒu)想到的设备。下表显示了一些旧存储器和新(xīn)存储器的应用(yòng)领域，以进行比较。

嵌入式产品的新(xīn)兴内存

由于内存应用(yòng)的范围与市场上的产品線(xiàn)一样多(duō)样化，因此怀疑其中任何一种将取代DDR4 及更高版本的通用(yòng)计算。相反，鉴于即将推出的RAM类型的独特功能(néng)，它们可(kě)能(néng)仅限于嵌入式系统、数据中心、移动设备、智能(néng)系统和许多(duō)其他(tā)领域的一些利基应用(yòng)。让我们看看其中一些新(xīn)兴的内存类型。

FRAM和MRAM

这两种技术都值得比较，因為(wèi)它们都是磁性的，但MRAM显然更先进，并且针对更高级的应用(yòng)。市场上确实有(yǒu)非易失性FRAM模块，但它们停滞在4-8 MB。FRAM读/写周期也具有(yǒu)低延迟 (~50 ns) 的破坏性，因此这些模块不适用(yòng)于高速、大容量系统。一些应用(yòng)领域包括：

医疗设备

可(kě)穿戴電(diàn)子产品

物(wù)联网传感器阵列

汽車(chē)和工业产品

富士通 1 MB FRAM 模块。来自富士通 MB85RS1MTPNF-G-JNERE1 数据表。

MRAM 的采用(yòng)率很(hěn)低，但这仅仅是因為(wèi)它上市时间不長(cháng)，代工厂仍在投资产能(néng)以满足预计的需求。MRAM 将每一位数据存储為(wèi)磁方向，施加電(diàn)压可(kě)以使 MRAM 设备有(yǒu)一定的改变状态的可(kě)能(néng)性。这在神经网络等应用(yòng)程序中实际上很(hěn)有(yǒu)用(yòng)，其中随机权重初始化可(kě)用(yòng)于嵌入式 AI 系统。该技术可(kě)能(néng)在低功耗 AI ASIC 和 SoC 中很(hěn)有(yǒu)用(yòng)，尤其是在 AI 计算块中。

内存

目前，40nm ReRAM已经取得了消费产品的技术资格，22nm ReRAM从2019年开始就进入了风险生产阶段。将高密度ReRAM带入实际应用(yòng)需要克服许多(duō)技术和制造挑战，所以我们不应该预计下一轮筆(bǐ)记本電(diàn)脑将在 ReRAM 上运行。

目前低密度 ReRAM 内存阵列的理(lǐ)想应用(yòng)是传统计算中的并行神经网络处理(lǐ)。与 ReRAM 最接近的竞争对手是闪存相比，ReRAM 提供更快的读/写延迟和更低的功耗，使其适用(yòng)于需要在高计算应用(yòng)中快速访问内存的嵌入式系统。然而，ReRAM 不太可(kě)能(néng)取代 NAND 闪存，因為(wèi)它有(yǒu)自己的制造困难，可(kě)能(néng)会导致成本居高不下。更高级的应用(yòng)程序（例如实时分(fēn)析）需要速度更快、容量更大的东西，例如 PCRAM。

PCRAM

商(shāng)业化的 PCRAM 产品可(kě)以追溯到 2000 年代初期，但由于英特尔 3D Xpoint 非易失性 RAM（英特尔傲腾，见下文(wén)）的更多(duō)采用(yòng)，相变内存终于走出了“新(xīn)兴”类别。这项技术可(kě)能(néng)是实现纳米级海量数据存储同时实现极端 3D 集成的最佳候选者。然而，由于开发像 Xpoint 这样的东西需要极其精确的蚀刻和光刻，与其他(tā)技术相比，成本变得过高。尽管如此，IBM仍将 PCRAM 的价值视為(wèi)嵌入式 AI 系统中的内存块，特别是如果它可(kě)以集成在芯片级。

英特尔傲腾 MEMPEK1J064GAXT 64 GB Xpoint PCRAM 模块。

到 2030 年，新(xīn)兴内存产品预计将产生 360 亿美元的总收入，增長(cháng)分(fēn)布在嵌入式应用(yòng)领域。虽然很(hěn)容易将其中一种技术视為(wèi)内存市场的“赢家”，但这些技术中的每一种都在嵌入式领域占有(yǒu)一席之地。