兜里揣着250小时电影？

王家源

服役了近30年的闪存技术，似乎开始显现出一些“老态”。

从U盘、手机SM卡、相机CF卡和SD卡，到平板和电脑的存储器，闪存现在已应用于各种数码产品上了，它能帮你记住喜欢的电影、音乐，收藏的网站、店铺。

然而，考虑到现在的信息更新频率和数据容量，闪存的能力或许快要被榨干了。面对TB、PB（1024TB）、EB（1024PB）、ZB（1024EB）甚至更高单位的新增数据，这个诞生于1980年代末的技术存储空间还是不够大，速度也不够快，换掉它是迟早的事。

近两年才成为研究热点的阻变式存储器（下简称为“RRAM”），被普遍认为是最有可能替代闪存的存储技术。

目前为止，它还没有一款量产产品。不过，这种情况可能会很快改变。一家名为Crossbar的公司，今年已发布了该技术的样品，它能把1TB的数据装进邮票大小的芯片上，预计明年该产品会逐步量产。

比起闪存，RRAM在性能上有大幅提升。智能手机上用于存放操作系统和应用程序的是NAND闪存，RRAM的写入速度比它快了将近1000倍。RRAM的读取延迟只有50纳秒，而NAND闪存的延迟停留在微秒级别，也就是说，RRAM快了上万倍。

除此之外，闪存还有个缺陷。目前的闪存芯片已经接近了微缩极限，也就是说它不能更小了。

存储器厂商一直在追求更小的纳米工艺、更强大的性能。更小意味着功耗降低，更省电，成本更低，而由于晶体管之间的间距变小，性能也会随之变强大。

但小也有极限。在理想情况下，芯片中各个小元件是稳定的，然而随着电子设备越来越小，元件会变得越来越不稳定。

“传统的存储技术都是基于电子的，当设备越来越小，电子会四处乱窜，数据将跑到相邻的存储单元，造成读写错误。”Crossbar公司市场营销和业务开发副总裁西尔万·迪布瓦（Dylvain Dubois）对《第一财经周刊》说。专门研究RRAM技术的这家公司，已经研制出了10纳米以内的技术，电阻形成的细丝则小于5纳米。

而目前芯片普遍处于20纳米时代，对于更小的10纳米的研究也在继续。但20纳米级别的芯片表现并不好，这个极限马上就要到头了。

当然，NAND闪存也曾想办法自救，3D NAND闪存就通过改变芯片结构，将其从平面变立体，提高了一些闪存的容量，但本质上，这并没有突破传统NAND闪存的技术硬伤。

闪存芯片的耐用性也跟尺寸紧密相关。由于闪存芯片制程只有几十纳米，每次编程或擦除数据的时候，产生的电子都会损耗芯片中存储数据的绝缘层，直至被消耗殆尽。这让编程或擦写的次数变得很有限，目前NAND闪存仅能擦写几千次。这也是闪存芯片尺寸越小寿命越低的原因。

而理想情况下，RRAM的编程、擦写循环可以达到数百万次，发展初期，也能做到10万次左右。原因是，RRAM技术改变了数据存储的方式，可以让RRAM芯片兼得小尺寸和高密度容量。

Crossbar RRAM的技术原理是改变材料的电阻来存储数据。它的存储单元由三层组成，上下两层是金属电极，中间是非结晶态交换介质。

当电流由一个方向经过单元时，来自顶部电极的离子迁移到交换介质中。当被迁移的离子在两个电极之间产生一个纳米大小的细丝后，单元的电阻就会大幅下降。电阻的状态可以作为“0”或者“1”而被读取。要做删除操作的话，电流方向反过来，然后离子迁移回顶部电极，重新提高电阻。

像NAND闪存一样，RRAM也可以立体堆叠，通过3D立方体设计进一步提高容量密度，这样，在单芯片上提供1TB的存储容量也有了可能。

美国互联网数据中心指出，互联网上的数据每两年翻一番，目前全球90%以上的数据都是近几年才产生的。据国际数据机构IDC的调查，2013年全球产出的资料为4ZB，预计2020年将达到44ZB—ZB是什么单位？TB再往上数三个量级！

这种情况下，尽快寻找到能取代目前主流的DRAM与NAND的新存储器，也成为了一个迫切需求。“我们正生活在数据驱动的时代，大数据、云存储、可穿戴设备都需要更安全的数据支持。快速、可靠、低成本、低能耗对未来十年的存储技术至关重要。”迪布瓦说。

在Crossbar公司之外，当然也有很多公司在研发下一代的存储技术，比如存储巨头美光就与索尼合作，在2015年推出了新的RRAM阻变式存储技术。

美光在2007年就提出了RRAM的设想，此后，几乎也每年都会透露一些进展，但一直停留在实验阶段，并未给出具体的量产时间。

事实上，RRAM与闪存更是早在30年前就有过交锋，只不过，当时闪存占了上风。对于阻变现象的研究从1960年代就开始了。但直到1980年代，RRAM一直停留在一些基础的原理研究上，对新型的存储器件的研发需求也不像现在这么强烈，以至于在1980年代末，阻变现象的研究一度趋于平淡。

与此同时，闪存技术却迅速发展。1984年，东芝公司率先发明了闪存技术，英特尔在4年后向市场推出了首个闪存芯片，高速、体积小、低功耗等优良特性，立刻淘汰了传统的EPROM存储芯片，逐渐成为首选的存储介质之一—在很长一段时间，闪存技术足够用了。

市场需求的变化，总是会有助于加速新技术从研发到商用经历的漫长过程。现在，RRAM的机会来了。

其实如果量产，该技术也有一些优势，因为它的生产成本较好控制。它可使用常规的CMOS工艺制造，只需稍加调整，几乎任何现有晶圆厂的生产线都可以直接利用。而NAND闪存，尤其是3D NAND闪存技术，则需要昂贵的特殊工具，能生产的公司反而不多。

在不远的未来，最有可能的情况是，闪存将应用于特定用途，比如冷存储，也就是备份不常用到的数据。而代替现有闪存技术成为主流的RRAM技术，则让存储器厂家们又可以继续追求更小、更强了。

对于消费者来说，这意味着，可以把250小时的电影装进邮票大小的硬盘里—听起来很不错。