儲存技術伴隨套用場景變化，新興領域催生更高需求。 儲存行業興起於 1960s， 現被廣泛套用於各種領域的電子裝置。現在，隨著 AIoT、5G、智慧汽車等新興套用場景出現，儲存行業的市場需求進一步增加，對數據儲存在容量、速度、功耗、成本、可靠性等層面提出更高要求。
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「效能墻」與「儲存墻」成為限制傳統記憶體套用於新興領域的兩座難關。
「效能墻」源於處理器與記憶體發展失衡。 隨著半導體產業的發展，處理器和 記憶體分別走向了不同工藝路線。由於二者工藝、封裝、需求的不同， 從 1980 年到 2000 年，處理器效能的年增長速度約為 60％，而記憶體效能每年提高的振幅低於 10％，導致「存-算「的失配速度以每年 50%的速率增加。因此，處理器和記憶體之間出現數據交換通路狹窄現象，及由此引發的高能耗問題，二者成為儲存與運算間的「效能墻」。
「儲存墻」來源於計算架構中多級儲存的特性差異。 現代計算系統通常采取高 速緩存(SRAM)、主記憶體(DRAM)、外部儲存(NAND Flash)的三級儲存結構。由於各級儲存的套用特性不同，三級架構間均存在較大的響應時間及傳輸頻寬差距，形成了制約系統效能的「儲存墻」。其中，靠近運算控制單元的記憶體需要響應速度更快，但受到功耗、散熱等因素制約，其儲存容量也越小，例如 SRAM 響應時間在納秒級，NAND Flash 則僅為 100 微秒級，但後者的儲存容量較大，造價低廉，且具備非易失的低功耗特性，適用於長期儲存海量資訊。隨著新興套用下處理器的速度和核數持續增加，「儲存墻」成為制約處理器效能發揮的主要因素之一。
受益於萬物智聯時代的新興套用發展，由於傳統記憶體存在「效能墻」和「存 儲墻」問題，新型記憶體的研發和產業化逐漸進入歷史舞台。基於材料介質改造或技術升級，出現 PCRAM、MRAM、ReRAM 和 FeRAM 四大型別的新型儲存，下文中逐一探討。
1、模糊外存和主記憶體界限，PCRAM 產業化面臨障礙
以相變材料為儲存介質的新型儲存——PCRAM。 PCRAM（相變記憶體）的 原理是透過改變溫度，讓相變材料在結晶態（導電）與非結晶態（非導電）狀態間相互轉換，並利用兩個狀態的導電性差異來區分「 0」態和「 1」態，從而實作數據儲存。PCRAM 具有外存 NAND Flash 的非揮發性，以及主記憶體 DRAM 高讀寫速度和長壽命的特點，同時兼具低延時、密度高、功耗低、可相容 CMOS 工藝等優點，具有將外存和主記憶體合二為一的可能性，未來有希望套用於高效能數據中心、伺服器、物聯網等場景。
此外，目前 PCRAM 還未發現有明確的物理極限，研究表明即使相變材料降 至 2nm 厚度，記憶體件依舊可以發生相變。因此， PCRAM 可能解決記憶體工藝 的物理極限問題，成為未來通用的新一代半導體記憶體件之一。
PCRAM 現階段具有較多套用瓶頸，致使商業化停滯。 首先，由於 PCRAM 存 儲過程依賴溫度調節，具有對溫度的高敏感度，導致其無法套用於寬溫場景。其次，PCRAM 記憶體采取多層結構，以具備相容 CMOS 工藝的特點，致使儲存密度過低，無法滿足替代 NAND Flash 的容量條件。此外，成本和良率也成為其大規模產業化的瓶頸之一。
2、MRAM 產品進入量產，eMRAM 替代 SRAM 空間大
磁記憶體（MRAM）的基本單位為磁隧道結（MTJ）。 MTJ 由一對被薄絕緣 材料層隔開的鐵磁金屬板組成，其中一塊金屬板（固定層）的磁場方向永不變化，另一塊板（自由層）的磁場方向可以因外部磁場的改變而改變。MTJ 透過電阻大小表示數據，由於隧道磁阻效應，如果兩個板具有相同的磁化方向（低電阻狀態），則將其視為「1」，而如果方向反平行（高電阻狀態），則表示「0」。但傳統 MRAM單純用奧斯特場對普通的 MTJ 進行狀態切換，存在嚴重的不穩定性和嚴苛的套用條件。
STT-MRAM（自旋扭矩轉遞）為當前主流商業化方案。 自 2000 年 Spintec 實驗室獲得第一個 STT 技術專利開始，STT-MRAM 憑借更快的讀寫速度與更小的尺度逐漸成為主流商業化方案。2005 年 11 月，瑞薩柯技與 Grandis 合作開發 65nm 工藝的 STT-MRAM。2005 年 12 月，索尼推出首款實驗室 STT-MRAM 產品。2008 年 11 月，三星與海麗仕宣布合作開發 STT-MRAM。2012 年 11 月，Everspin 首次推出 64Mb 容量的獨立式 STT-MRAM 產品。2019 年 3 月，三星28nm 工藝的嵌入式 STT-MRAM 產品開始量產。
MRAM 增長點為替代快閃記憶體與嵌入式緩存。 由於價格較高，容量短時間無法趕 超 NAND FLASH 等原因，獨立式 MRAM 目前主要套用於工業、航空、航天、軍工等對可靠性和讀寫速度要求較高、容量無需太大的領域。隨著容量進一步提升，獨立式 MRAM 產品已逐漸進入數據中心等更大規模的市場，未來隨著價格下降和容量擴大有望替代 NAND FLASH 等成為主力外部儲存產品。目前嵌入式 MRAM已成功進入 MCU 嵌入式系統，並逐步替代慢速 SRAM 成為工作緩存新方案，套用於相機 CMOS 等。未來嵌入式 MRAM 提速降價後有望替代 SRAM 或 eDRAM等快取，進入手機 SoC 和 CPU 等產品。
3、ReRAM 替代 eFlash 成長空間廣闊
可變電阻式記憶體（ReRAM）以基本單位電阻變化儲存數據。 氧化層釋放氧 離子後產生的氧空位（Vacancy）與金屬層中氧離子的運動共同決定了基本單位的電阻，高低電阻分別對應「0」和「1」。
嵌入式 ReRAM 替代 eFlash 進入模擬芯片為主要增長點，獨立式替代 NOR FLASH 成長空間可期。獨立式 ReRAM 在讀寫速度等方面不及 MRAM 和 FLASH 等技術，但價格較低，易於制造。目前獨立式 ReRAM 在工業級小容量儲存得到廣泛套用，並在 IoT 領域逐步替代 NOR FLASH。隨著容量進一步提升和讀寫速度的 突破，獨立式 ReRAM 有望替代快閃記憶體進入企業級儲存市場。 嵌入式 ReRAM 按位 尋址、對放射線和電磁場的高耐受性和較低的功耗等優點有效解決了目前嵌入式快閃記憶體（eFlash）在模擬芯片、醫療和工業以及 IoT 等領域面臨的問題，目前已替代eFLash 可用於音訊芯片、LED 驅動芯片等模擬芯片市場，在技術得到進一步驗證後有望進入 MCU 芯片等。隨著技術進一步發展，ReRAM 有望進入 CPU 作為最後一級快取。
4、FeRAM 研發正當時，多種優勢突破傳統儲存限制
FeRAM 是一種斷電時可以保存數據的非易失記憶體，儲存機制和鐵磁儲存的 滯後行為類似。 當一個電場被施加到鐵晶體管時，中心原子順著電場停在低能量狀 態 I 位置，反之，當電場反轉被施加到同一鐵晶體管時，中心原子順著電場的方向在晶體裏移動並停在另一低能量狀態 II，大量中心原子在晶體單胞中移動耦合形成鐵電疇，鐵電疇在電場作用下形成極化電荷。鐵電疇在電場下反轉所形成的極化電荷較高，鐵電疇在電場下無反轉所形成的極化電荷較低，這兩種反差狀態可以被記作「1」或「0」，FeRAM 可以用二進制的方式來儲存數據。
FeRAM 具有非揮發性、讀寫速度快、壽命長、功耗低、可靠性高等特點 。 FeRAM 讀寫速度快；壽命長，可重復讀寫，重復次數可達到萬億次；功耗低，待機電流低，無需後備電池或采用充電泵電路；更加可靠，相容 CMOS 工藝，工作溫度範圍寬，可靠性高。FeRAM 既有 ROM 的非揮發性數據儲存特性，又有 RAM的無限次讀寫、高速讀寫以及低功耗等特性，多種優勢加持，正在成為記憶體未來發展方向之一。
FeRAM 最早在麻省理工大學達德利 · 艾倫 · 巴克在 1952 年提出的碩士論文中 被提及，論文中提到，FeRAM 有比快閃記憶體更低的耗電量、更高的寫入速度、更長的讀寫壽命等優勢。由於存算一體的特性和諸多優勢，FeRAM 成為新型儲存的主流產品之一。1993 年 Ramtron 公司推出 4Kb FeRAM 產品，為全球首款可量產FeRAM 產品，此後，FeRAM 的更多研發和套用開啟新篇章。
FeRAM 技術瓶頸尚在，仍需繼續研究突破 。當前，FeRAM 的工作模式主要 包括 DRO（破壞性讀出）和 NDRO（非破壞性讀出）兩種。在 DRO 模式中，FeRAM 讀出後需重新寫入數據，資訊讀取過程中存在著大量的擦除/重寫操作，由於不斷地極化反轉，FeRAM 容易發生疲勞失效的問題。NDRO 模式無需使柵極的極化狀態反轉，讀出方式是非破壞性的，是一種比較理想的儲存方式，但目前這種 FeRAM 尚處於實驗室研究階段，還未達到實用層面。
5、四種新型儲存優勢各異，市場化程度也有不同
四種新型儲存都能在一定程度上有效解決傳統儲存的「效能墻」和「儲存墻」 的問題，打破馮·諾依曼體系架構，實作存算一體，消數據訪存帶來的延遲和功耗，實作更高的算力和能效比，但是四種新型儲存的具體技術特點和商業化程度有所不同。
四種儲存商業化階段不同，MRAM 產業化程度最高 。目前 MRAM 儲存已進 入產業化階段，在獨立式儲存和嵌入式儲存上均有量產，三星在 2019 年為索尼代工的衛星定位模組中使用 MRAM 技術，台積電在 2020 年積體電路設計領域ISSCC 國際會議上釋出了 32 Mb 嵌入式 STT-MRAM；其次，FeRAM 有小規模套用，匯峰目前已經有 130nm 制程 FeRAM 產品可實作小批次量產；PCRAM 主要在混合固態盤和持久記憶體方面有少量套用，2015 年英特爾與美光聯合研發的128 Gb 3D Xpoint 芯片是目前唯一大規模商用的 PCM 產品；RRAM 目前商業化還未真正落地。
在壽命、讀寫速度、功耗、抗放射線方面，四種儲存各有優勢。 永續性方面， MRAM、FeRAM 較高；儲存密度方面，FeRAM 較低，MRAM、PCRAM、RRAM較高；讀寫速度方面，FeRAM 最快；讀寫功耗方面，PCRAM 最高，MRAM、FeRAM、RRAM 均較低；抗放射線方面，除 MRAM 外，其他均較高。
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