DRAM“危机”

194 0 0

文章摘要

在AI技术迅猛发展的背景下，大模型规模的指数级增长对计算资源提出了前所未有的挑战，尤其是存储带宽的限制，成为了制约高性能计算的关键瓶颈。过去几十年中，服务器硬件的算力峰值以每两年3倍的速度增长，但DRAM带宽的增速仅为每两年1.6倍，片间互连带宽的增速更是只有每两年1.4倍。这种不均衡的发展导致了“存储墙”问题，使得处理器的实际利用率在大规模AI训练任务中可能只有理论峰值的20%-30%，严重浪费了计算资源。

HBM（高带宽内存）的出现，被视为存储领域的一场革命。它通过3D堆叠技术，将多个DRAM芯片垂直堆叠，实现了每秒1.2TB的数据传输速度，显著缓解了内存带宽的压力，提升了AI芯片的计算效率。然而，HBM的制造过程复杂且成本高昂，限制了其大规模应用。与此同时，传统DRAM的局限性促使市场寻求新的存储解决方案，3D铁电RAM等新型存储技术应运而生。

3D铁电RAM凭借其非易失性、低功耗和高存储密度的特性，成为DRAM的有力竞争者。美国SunRise Memory公司开发的3D铁电RAM芯片，通过垂直堆叠的FeFET存储单元，将存储密度提高了10倍，同时功耗降低了90%。这种技术在数据中心中具有广泛应用前景，能够显著降低能耗和运营成本。然而，3D铁电RAM的商业化仍面临材料优化和制造工艺的挑战。

此外，DRAM+非易失性内存技术也在探索中。FMC公司利用HfO2铁电效应，开发出非易失性DRAM存储器，结合了DRAM的高性能和闪存的非易失性，适用于AI计算等场景。尽管该技术尚未实现商用，但其潜力不容忽视。

Imec提出的2T0C DRAM架构，通过无电容器的设计，解决了传统DRAM的扩展性和功耗问题。基于IGZO材料的2T0C DRAM单元，具有低关断电流和长保留时间的优势，为高密度DRAM的发展提供了新的方向。该技术已在实验室中取得突破性进展，未来有望在云计算和AI等数据密集型应用中发挥重要作用。

相变存储器（PCM）和新型非易失性存储器（如UK III-V Memory）也在不断突破。PCM通过相变材料的状态转换实现数据存储，具备低延时、高密度和低功耗的优势。韩国KAIST开发的纳米灯丝技术，进一步降低了PCM的功耗，为物联网设备提供了高效的存储解决方案。UK III-V Memory则基于GaSb/InAs材料，实现了与DRAM相当的写入速度，同时能耗仅为DRAM的1%，有望在移动设备存储领域占据重要地位。

SOT-MRAM技术通过自旋轨道扭矩效应，实现了低功耗和高性能的存储。德国JGU与Antaios公司合作开发的SOT-MRAM，利用轨道霍尔效应降低了写入电流，提升了能效比，适用于数据中心和高性能计算领域。

总体而言，AI的快速发展正在推动存储技术进入“架构+材料”双轮驱动的新时代。从HBM的3D堆叠到铁电存储的材料革新，再到2T0C DRAM和SOT-MRAM等新型技术的突破，存储行业正在经历深刻的重构。这些技术的商业化应用将为市场带来更多选择，推动存储行业的多元化发展，同时也将重塑半导体产业的格局，带来新的机遇与挑战。