从高层来看，计算机体系结构有几个关键组件：CPU（由计算核心和互连组成）、存储器（由缓存、主存储器和硬盘驱动器组成）以及用于输入和输出的硬件。虽然体系结构的所有部分对整体效率都很重要，但对于现代工作负载，主要的性能瓶颈是内存。因此，近年来出现了一些重要的研究，试图在保持尽可能多的功率效率的同时提高内存的速度。

 

Intel Core i7

英特尔酷睿i7，这是当今常见的高性能PC计算机体系结构。图片由英特尔提供

 

在本文中，我们将讨论工业界和学术界最近发布的三项记忆公告，以评估该领域的进展情况。我们将从存储器技术的简要回顾开始，强调SureCore、兰卡斯特大学、西部数据和Kioxia的新开发的重要性。

 

存储器技术综述

内存大致可以分为两种类型：非易失性和易失性。非易失性存储器可以通过数百万次的电源循环来存储其内容。内存的内容一直保留到被有意擦除或重写为止。非易失性存储器的两个例子是闪存和硬盘。相比之下，易失性存储器在电源循环后会丢失其内容。两种常见类型的易失性存储器是SRAM和DRAM。

虽然SRAM和DRAM都是易失性的，但由于其实现方式，DRAM通常较慢。在DRAM中，每个比特都是使用电容器存储的。由于电容器会失去电荷，除非在极板上连续施加电势差，因此DRAM需要定期刷新以防止数据丢失。这种周期性刷新会导致高延迟，从而导致内存变慢。另一方面，SRAM不使用电容器进行数据存储。相反，它使用几个被称为SRAM单元的晶体管来存储一个比特。SRAM可以使用位线和字线的网格写入和读取。


An SRAM cell can comprise six MOSFETs

SRAM单元可以包括六个MOSFET。位线和世界线用于将值写入单元格。图片由TU Wien提供

 

为了写入典型的SRAM单元，根据所需的值将相关的位线分别驱动为低或高，然后将世界线驱动为高。为了从典型的SRAM单元读取，两条位线都被驱动为高电平，然后是被驱动为低电平的世界线。通过这种方式，SRAM可以区分读取操作和写入操作。

 

Bitlines and wordlines in an SRAM

SRAM中的位线和字线控制对各个位的访问。图片由ChipEstimate提供

 

对于智能手机等嵌入式和移动计算应用程序，设计师使用SRAM，它尽可能节能，以延长设备的电池寿命。由于泄漏电流的原因，功耗可以是主动的，也可以是被动的。在SRAM中，寄生电容导致电荷在存储器电路上和下的移动，从而导致有源功耗。

 

SureCore将节能技术融入SRAM

一家名为SureCore的英国公司专门从事超低功率嵌入式IP，该公司开发了一种名为Cascode预充电灵敏放大器（CPSA）的专利技术。该公司声称，这项技术可以显著降低SRAM的有源和无源功耗。

CPSA通过控制SRAM上的位线电压摆动来工作，由于制造工艺的原因，位线电压波动可能会显著变化，从而降低功耗。虽然SRAM上的单个位线电压摆动通常很小，但位线太多，以至于总位线摆动实际上占SRAM上有源功耗的大部分。

 

兰卡斯特研究人员创建“ULTRARAM”

最近对改进存储器的研究也集中在非易失性存储器上。兰卡斯特大学的研究人员宣布成立一家分拆公司，创建ULTRARAM，这是一种将闪存的非易失性与DRAM的性能和功耗优势相结合的存储器技术。

ULTRARAM利用包括RAM的半导体材料中的量子共振隧穿。ULTRARAM中使用的半导体化合物属于6.1埃族，例如GaSb、InAs和AlSb，它们特别适合高速设计。虽然量子共振隧穿背后的物理原理非常复杂，但它基本上使研究人员能够创建一种非易失性、不消耗太多功率、速度比DRAM快的存储器。

 

ULTRARAM

ULTRARAM由于所用半导体化合物的独特量子特性而稳定。图片由IEEE电子器件汇刊提供

 

在ULTRARAM中，每个逻辑状态都存储在一个浮动门中。由于6.1A半导体的特性，浮动栅极可以在低电压下从高电阻状态切换到高导通状态。这些特性使其快速、节能，同时又不易失。

 

Kioxia和Western Digital联手打造3D Flash

单元密度是非易失性存储器的另一个非常重要的特性，因为它允许更多的单元被封装到同一区域并增加存储器的容量。今年3月，Western Digital和Kioxia宣布了一项新的3D闪存技术的细节。在这项技术中，每个单元晶片都是单独制造的，然后结合在一起，以最大限度地提高比特密度。存储器是垂直和横向缩放的，以增加位密度，从而增加闪存的容量。

 

从内存开始创新现代计算机

现代计算机是复杂的机器。现代设计有多个内核、多级缓存、主内存以及复杂的多线程和预测机制，规模巨大且复杂。然而，几十年来，现代计算机架构师的基本目标基本上保持不变：创造一台具有足够计算能力的机器，同时仍然节能且价格合理。这些研究人员和公司希望通过创新不同的存储器技术来实现这一平衡，无论是超低功耗SRAM、ULTRARAM还是3D闪存。

 

 

特色图像（两个ULTRARAM存储器阵列的扫描电子显微镜图像）由IEEE电子器件汇刊提供