内存升级

现代计算在数据存储和检索方面需要地震级的转变。

安德鲁·格兰特

拉马莫希·拉梅什不仅用他的智能手机听印度古典音乐，还在手机上存满了他孩子踢足球的视频；他在平板电脑上观看网飞公司的电影，在笔记本电脑上一天多次使用谷歌检索浏览网页。和我们大多数人一样，他是一个以数据为中心的积极数据消费者。

但拉梅什同时也是一位材料学家，他对于电子设备的具体运行有着深入的了解，他有着挥之不去的担忧：计算机的确非常先进，但是并没有成为它应该成为的样子。

他说，现在的用户依赖计算能力更强的计算机来进行存储和回顾信息。每台计算机都有一个处理器，闪电般地执行程序化的指令，使得用户可以网上付款，寻找附近的意式餐厅，把照片上传分享。但是处理器也需要存储结果的空间，这些结果可以是几毫秒甚至是很多年计算的结果。现存的存储器技术不能做到既和处理器保持一致，又能够长时间存储信息这样的功能。当前的存储设备，包括随机访问存储器、硬盘以及闪存等，都是一些太慢、太昂贵而且过度消耗能量的部件。

处理器和存储器之间在性能方面的差距从半个世纪前第一台电子计算机出现时便已存在。但是那些机器不需要从因特网上搜索不著名的事实，将病人的病历排序以及在社交网络上挖掘个人档案。依据IBM公司报告称，全球的数据数量在五年内预计会增长8倍，现在90%的数据只会存储不超过两年。大数据时代已经来临。

为了让计算机在冗余数据面前朝更好的方向发展，拉梅什和他的众多工程师以及物理学家认为，他们需要开发下一代存储器设备。他们称为存储类内存：一个单一的产品，具有速度、能量效率以及高密度存储等优点。

如果能采用存储类内存，生产商们可以制作更智能、更快同时也具有较长电池寿命的移动设备。拉梅什称，从长远来讲，存储类内存可能会革命性地改变计算机的工作方式，即启用处理器存储器混合模式，像人脑一样同时进行计算和记忆。这将是自20世纪40年代以来针对计算机基本体系结构的第一次改变，在那个年代晶体管这个词第一次进入词典。

因为包含众多利害相关的事情，技术工业界的巨头例如IBM、三星、惠普，以及较小的创新型公司像纵横和镁光，正投入上亿美元来探索微小磁体、非晶体固体以及微型电网线位存储的潜力。这是一项充满挑战的游戏，这是一个棘手的科学问题。但是一项研究表明，存储类内存可能会很快出现，并且满足处理器的高级性能标准。

加州大学伯克利分校研究存储类设备的拉梅什称，很多人对这项事业都非常热情，因为他们的生意正处于危险境地。肯定存在能够实现存储类内存的方法，但问题在于如何实现。

不变的旧结构

计算机出现在1945年，那时数学家约翰·冯·诺依曼在电子数据计算机上面写了一份报告。他预想电子计算机以能够达到每秒数百次运算的处理器为中心，但是如果将处理器比喻成大厨的话，他需要食谱（告诉他做什么的指令），也需要储存原材料的地方（需要计算的数据），并且要保证做完的饭（计算的结果）保温。冯·诺依曼将这些责任分配到存储器中去处理，与此同时出现了磁带和汞管形式的存储器。

冯·诺依曼的机器在1951年成为现实，占地面积比一千个苹果平板电脑并排摆放还要大，重量比一头非洲象还要重。它只有几千字节的内存，但那也是非常充足的，因为处理器工作非常慢。

一旦处理器加速到每秒千次、百万次甚至十亿次运算之后，事情变得越来越棘手。还没有存储器设备既能处理每秒十亿次运算，又能无限保留大量信息。因此，工程师想出了一种解决方案：采用最快的存储器作为内存。这种存储器是最昂贵的，能够直接和处理器进行信息交换，而且只存储少量最紧急的数据。在未来，数据会被存储到更便宜、更大容量的存储设备中。通过建立这种存储层次结构，工程师们成功完整保持了冯·诺依曼的基本体系结构：存储器中存储数据和处理器所需要的指令。一位麻省理工学院的物理学家和计算机科学家尼尔·葛申菲尔德说道：“现在的计算机仍然被看作是冯·诺依曼结构。”

存储器时间轴 电子工业现在使用的是20世纪发明的存储器技术。工程师们已经竭尽全力提升更多的性能，但是，依然有对改变存储器格局的需求 。

在当前计算机中，处理器的主要辅助部件是动态随机存取存储器，简称为DRAM，是一个能够提供短期简单可访问信息存储的芯片。每一个动态随机存取存储器单元包含一个存储电子能量的电容器和一个充当摆动门的晶体管。晶体管通过电流的流动来快速转换电容器的状态，充电状态用1代表，非充电状态用0代表。

然而DRAM有一个弊端：电容器不能保持电流时间太长。所以DRAM芯片需要每秒钟大约十五次能量输入来不断为电容器充电。这就要求计算机必须保持开机才能让DRAM保持工作。这对于长期存储是没有优势的。

大多数系统使用硬盘来进行长期存储。这些驱动器使用机械手臂在3.5英寸宽的圆盘单元里进行写入和读取数据；在每个单元里磁针的方位决定了代表1还是0。

硬盘价格便宜而且可以存储数量庞大的数据，但是速度太慢。从处理器存储数据到硬盘每一位需要花费5毫秒的时间，这是处理器进行一次运算耗时的五百万倍。打个比方，就像一个餐厅顾客（处理器）点菜之后，服务员（硬盘）需要超过一个月的时间来简略记下点的菜。更别提点什么甜点。

更实际地说，这种延迟解释了为什么计算机开机后需要花费几分钟来启动。操作系统需要时间从硬盘向DRAM中移动数据，以保证处理器能够访问这些数据。

工程师们已经花费数十年，试图克服处理器和存储器速度之间的速度差异。1988年计算机芯片巨头英特尔公司公布了闪速存储器，迈出了第一步。闪存在不通电时也能够保持信息，并且能够在20纳米宽的单元里存储数据，这足够存储数码相机中数以千计的照片以及智能手机上数百个应用程序。而且，它的速度相对更快（至少相比于硬盘），因此配置闪存的智能手机、笔记本电脑和平板电脑的启动速度比带有机械硬盘的计算机更快。

英特尔公司称可以通过缩小和堆叠存储器单元继续使闪存变得更便宜而且更快速。但是计算机科学家们，像圣克鲁兹加州大学的达雷尔·隆指出，闪存已经接近了它的性能极限。现在是时候出现一种更快、更便宜以及能量效率更高的替代品。

而且不仅仅因为闪存已经接近于最大输出，现在强加于计算机上的需求与以往有了极大不同。具有冯·诺依曼体系结构的计算机擅长读取一些数据，以某种方式修改，然后再存储回存储器中，其中数据处理优先于实际数据的内容。现在更大的挑战是，从极大量无意义的数据中寻找到有价值的数据以及挖掘其变化规律。北卡罗来纳州立大学的一位电气工程师保罗·弗兰说：“不是简单地将数据进行堆积罗列，而是要从中找到问题的答案。”计算机需要能够迅速地存储和分析大数据集。

受以上因素的影响，研究者们在十年前就已经开始寻找一种能够结合DRAM的特性和硬盘容量以及寿命特性的存储器。

合适的材料

寻找一种突破性存储器设备的尝试开始于材料科学家和凝聚态物理学家。任何想要用来构建下一代存储器设备的材料都必须拥有显著的电信号或者磁信号，从而有效地区分状态1和状态0。

铁电存储器，缩写为FRAM，和DRAM作用类似。每一个存储器单元拥有一个能够存储电信号的电容器和一个在0和1之间转换的晶体管。FRAM的优势在于它的电容器由锆钛酸铅和铁酸铋等构成，不需要不断刷新也能够保持充电状态。拉梅什说道：“十年前，人们认为FRAM在和其他存储类存储器的竞争中会明显胜出。”

但是FRAM有一些明显的缺陷，虽然铁电材料可以制造极好的电容器，但是它们不易和其他硅材质的部件整合在一起。拉梅什说道：“你不能将FRAM直接放在硅片上面”，这对大批量制造将是一个挑战。科学家们也担心FRAM长远来看的可靠性，虽然拉梅什和他的同事开发了一项能够允许FRAM芯片在避免信号退化的情况下读写百万次数据的技术。这和闪存相比有着大约一千倍的提高，并且可以允许大多数用户安全地存储数十年数据。

惠普公司称他们下一代存储器设备与闪存设备相比要快一百倍，并且可以保存至少两倍以上数量的数据。而且，他们的设备是由二氧化钛制造，和硅材质能够较好地匹配。惠普的记忆电阻器根据当前电流流过的方向改变电性质，当电源关掉之后会记忆那些充电状态。惠普公司在2008年成为新闻头条，那时公司里由斯坦利·威廉姆斯领导的小组在《自然》杂志上介绍了记忆电阻器，并且展示了它在制造快速高容量存储器方面的潜力。威廉姆斯在2010年对这件事情仍然充满热情，他在惠普的一个出版物中称：我们相信随着时间的推移，记忆电阻器将会替代闪存、DRAM甚至硬盘驱动器。

惠普公司没有说明记忆电阻器进入市场的时间，但是这最早会在2014年成为可能。拉梅什指出惠普公司必须解决人们对于设备的长期可靠性的担心。在8月，一个位于加州圣克拉拉名为“纵横”的小公司，称他们已经开发了一种相似类型的快速存储器，叫作电阻式随机存取存储器。公司称他们已经生产了一种具有商业可行性的邮票大小的芯片，这种芯片可以保存太字节的数据（太字节为10 ¹² 字节），但他们没有宣布产品投入市场的时间。

弥补差距 计算机性能在几十年来已经突飞猛进，但是存储器性能与每秒处理数以亿计次运算的处理器相比还有很大差距。处理器依靠DRAM以及一种叫作高速缓存的昂贵而且低容量的设备来存储最紧急的数据。其他的所有数据都会被存储到长期记忆的存储器设备，例如闪存和硬盘，但是它们的存储速度仅仅能达到处理器速度的一小部分。研究人员想要创造能够将硬盘的低成本和稳健特性与DRAM的高速度特性相结合的存储类内存储器 。

相变存储器已经找到了进入电子工业界的方法。这种设备由一种锗、锑和碲组成的化合物制造，具有能够依据温度进行变化的电特性。它能够表现得像一个正常固体或者一个非晶质流动物质一样，依据存储器存储1还是存储0来熔化或者固化化合物。尽管一些研究人员担心设备需要太多的能量来重复加热和熔化化合物，但镁光科技已经在2012年开始向普通手机销售这类初级相变存储器。

当然也存在其他存储类存储器技术的研究。三星公司正在研制一种自旋扭矩的随机访问存储器，它利用电流转变薄层材质的磁场方向。IBM正在探索赛道存储器，它依靠电流在极微小赛道内的流动来操纵能够在1和0之间转换的更小的磁单元。

以上这些存储器的升级都面临技术上的挑战，不仅如此，他们还面临经济上的挑战。制造商已经习惯生产之前的硬盘、闪存和DRAM，他们不会盲目采用一项具有风险性的技术。位于加州圣何塞的IBM阿尔马登研究中心，研究存储类存储器的研究员杰弗里·伯尔说道：“当今半导体的开发是极其昂贵的。”他还指出公司只会在一项技术几乎肯定能够按照预期工作而且已经大量出售的情况下才进行投资。

智能设备

制造存储类内存储器的道路比大多数研究人员预想的还要坎坷，但是他们仍然关注这个目标。他们知道一旦存储类内存投入市场，将会改变消费者的生活以及商业格局。

弗兰称：“你的移动设备可能拥有太字节的内存，这将是大多数当前智能手机存储量的30～60倍。”他还说这将极大地改变用户体验，例如人们可以在他们的手机上存储数以千计的电影，而不只是在线观看。

然而更好的存储类内存的意义不仅仅在于提升智能手机的性能。像谷歌或者脸书这样的科技巨头运转着巨大的数据中心，这些数据中心使用沉重、缓慢的硬盘驱动器以及耗能量极大的DRAM芯片来存储和分析千兆字节量（超过千万亿字节）的检索术语、相似结果以及关联状态信息。维护这些庞大设备的能量消耗极大，公司需要依靠他们自己的发电厂及冷却设施来保证设备工作。在2010年，谷歌的服务器消耗了230万千瓦·时的能量，足够20万个家庭使用一年。用存储类内存替代硬盘驱动器和DRAM能够提高服务器速度并且削减它们的能量需求。

很多大数据用户也能够从中受益。医生能够快速筛选病历，学习诊断患者以及开具处方。科学家能够从基因序列、天文图像中寻找到规律。（位于智利的计划在十年内开始扫描天空的大型综合巡天望远镜，预期每晚都将产生30太字节的数据，这相当于400万张高质量照片。）而且政府国防机构很明显会喜欢一台能够快速搜索到恐怖网络并且识别恐吓信息的计算机。

一些计算机科学家指出，当一种存储类内存设备超越其对手时，真正的乐趣才会开始，无论这种设备的材料是加强的闪存、记忆电阻器、相变存储器还是一种未使用过的神秘材质。拉梅什将当前计算机弥补存储器缺陷的分层系统和人脑中的复杂多任务处理系统进行了对比。他指出，如果工程师们最终能够建造和处理器串行工作的存储器，那么，他们就可以考虑创造能够同时计算和记忆的设备。这种地震级的转变将会更进一步优化计算机，按照我们的要求来工作，或许最后能够产生一种即使像冯·诺依曼这样有远见的人也想象不到的机器。 hRyWMA1v0l351sD2LoU/Ck79f3pwdtrrmMep6rA1llJECSTIStlWGqwNAzWQ8gDI