Ramamoorthy Ramesh 在他的智慧型手機上聽印度古典音樂，手機上塞滿了他孩子們足球比賽的影片。他在平板電腦上播放 Netflix 電影，並在筆記型電腦上使用 Google 每天多次搜尋網路。和我們許多人一樣，他是一個以數據為中心的世界中的積極數據消費者。
但拉梅什也是一位材料科學家，他對電子設備背後的原理有透徹的了解，他還有一個揮之不去的擔憂：“計算機非常先進，但還沒有達到應有的水平。”
他說，問題在於今天的用戶所依賴的計算機在計算方面比在存儲和調用資訊方面要好得多。每台電腦的核心都是一個處理器，它以極快的速度執行編程指令，因此用戶可以在線支付賬單、查找附近的意大利餐廳以及在 Instagram 上發布自拍照。但處理器還需要一個地方來儲存其工作結果，以供未來幾毫秒或幾年使用。現有的記憶體技術無法同時滿足這兩點：跟上處理器的步伐並長時間儲存資訊。現代儲存設備，包括隨機存取記憶體（RAM）、硬碟和快閃記憶體，都是速度太慢、太昂貴和太耗能的綜合體。
自從半個多世紀前第一台電子計算機問世以來，處理器和記憶體之間的效能差距就一直存在。但這些機器並沒有被要求在網路上尋找晦澀的事實、整理患者的病史以及在社交網路上挖掘個人資料。據 IBM 稱，全球數據量預計將在五年內增長八倍，而當今 90% 的數據的歷史還不到 2 年。大數據時代已經來臨。
為了讓電腦成功地瀏覽大量多餘的數據，拉梅什和許多工程師和物理學家認為，他們需要開發下一代儲存設備。他們稱之為儲存層級記憶體：一個集速度、能源效率和高密度儲存於一體的小工具。
對儲存層級記憶體的存取將帶來更智慧、更快的行動裝置以及更長的電池壽命。拉梅什說，從長遠來看，儲存層級記憶體可能會徹底改變電腦的工作方式，使處理器-記憶體混合體能夠同時計算和記憶，就像人腦一樣。這將是自 20 世紀 40 年代晶體管一詞首次進入詞典以來對電腦基本架構的首次改造。
面對如此巨大的利害關係，IBM、三星和惠普等科技業巨頭，以及Crossbar 和Micron 等創新型小型公司，正在花費數十億美元來探索微小磁鐵、非晶固體和微型網格的位存儲潛力。這是一場充滿炒作和棘手科學的競爭性遊戲，但源源不斷的進步表明存儲級內存可能很快就會迎頭趕上並滿足處理器的崇高性能標準。
加州大學柏克萊分校研究儲存類候選人的 Ramesh 表示：“每個人都在全力以赴，因為他們的業務面臨風險。” 「肯定會有一條通往儲存層級記憶體的途徑。問題是：哪種技術將帶我們到達那裡？
同樣的舊建築
我們所知的現代計算機出現在 1945 年，當時數學家約翰·馮·諾依曼 (John von Neumann) 撰寫了他的“EDVAC 報告初稿”。他設想的電子計算機以每秒可執行數百次計算的處理器為中心。但如果處理器是主廚，它需要食譜（告訴它要做什麼的說明）以及儲存原料（要計算的數據）和保溫飯菜（計算結果）的地方。馮·諾依曼將這些責任分配給了記憶，當時記憶以磁帶和水銀管的形式出現。
馮諾依曼的機器於 1951 年投入使用，它所佔用的空間比並排放置的 1000 台 iPad 還多，而且比一頭非洲像還要重。它只有幾千位元組的內存，但這已經足夠了，因為處理器運行得很慢。
然而，一旦處理器加速每秒進行數千、數百萬甚至數十億次運算，事情就會變得棘手。沒有任何儲存設備能夠每秒與處理器交換數十億次資料並無限期地保留大量資訊。因此工程師設計了一個解決方案：最快也是最昂貴的記憶體直接與處理器互動並儲存少量最緊急的資料。更遙遠的未來的資訊被轉移到更便宜、更大容量的儲存設備。透過創建這種記憶體層次結構，工程師成功地保持了馮諾依曼的基本架構——儲存資料以及非常繁忙的處理器的指令的記憶體——完好無損。 「馮諾依曼仍然可以識別今天的計算機，」麻省理工學院的物理學家和計算機科學家尼爾·格申菲爾德說。
在現代電腦中，處理器的主要助手是動態 RAM（即 DRAM），這是一種提供短期、易於存取的資訊儲存的晶片。每個 DRAM 單元由一個儲存電能的電容器和一個用作擺動門的電晶體組成，控制電流以在代表 1 的充電狀態和代表 0 的未充電狀態之間快速切換電容器。
然而，DRAM 有一個致命弱點：電容器無法長時間保持電力。因此，DRAM 晶片需要每秒 15 次左右的能量流入來重新填充電容器。不斷需要刷新意味著電腦必須處於開啟狀態才能使 DRAM 發揮作用。不利於長期保存。
大多數系統使用硬碟作為長期記憶體。這些驅動器使用機械臂在 3.5 英寸寬的圓形盤片上的單元上寫入和讀取資料；每個單元的磁取向方向決定它是 1 還是 0。
硬碟很便宜，可以儲存大量數據，但速度很慢。處理器將一個位元（1 或 0）儲存在磁碟上大約需要 5 毫秒——是處理器執行運算所需時間的 500 萬倍。用人類的話來說，這就像餐廳顧客（處理器）決定點什麼，而服務生（硬碟）需要一個多月的時間才能記下訂單。忘記吃甜點了。
在更實際的層面上，這種滯後解釋了為什麼許多電腦在開機時需要幾分鐘才能啟動：作業系統需要時間從硬碟遷移到處理器可以存取它的 DRAM。
工程師花了幾十年的時間試圖彌合處理器和記憶體之間的速度差距，1988 年電腦晶片巨頭英特爾推出了快閃記憶體，邁出了第一步。閃存在斷電時可以保留信息，並且可以在 20 奈米寬的單元中存儲數據，足以在數碼相機上存儲數千張照片，在智能手機上存儲數百個應用程序。它的速度也相對較快（至少與硬碟相比），因此具有快閃記憶體的智慧型手機、筆記型電腦和平板電腦的啟動速度比具有機械硬碟的電腦快得多。
英特爾聲稱，它可以透過縮小和堆疊儲存單元來繼續使快閃記憶體更便宜、更快。但加州大學聖克魯斯分校的達雷爾·朗（Darrell Long）等電腦科學家表示，快閃記憶體已接近其性能極限。現在是更快、更便宜、更節能的替代品的時候了。
不僅僅是因為閃存可能接近極限。今天對計算機的要求與過去有很大不同。具有馮·諾依曼層次結構的計算機擅長獲取一組數據，以某種方式對其進行修改，然後將其放回內存中；數據處理優先於數據的實際內容。現在更大的挑戰是在大量非必要數據中尋找珠寶和趨勢。 「我們不是在為銀行處理數據，而是試圖找到問題的答案，」羅利市北卡羅來納州立大學的電氣工程師 Paul Franzon 說。電腦需要能夠快速儲存和分析大型資料集。
受這些因素的推動，研究人員大約十年前開始尋找一種將 DRAM 的速度與磁碟機的容量和壽命結合的記憶體。
正確的材料
對突破性儲存設備的探索始於材料科學家和凝聚態物理學家的實驗室。用於建構下一代儲存裝置的任何材料都必須透過具有兩種不同的電或磁狀態來有效區分 1 和 0。
鐵電 RAM（或 FRAM）的功能類似 DRAM，但具有一定的優勢。每個儲存單元都有一個用於儲存電力的電容器和一個在1 和0 之間切換的晶體管。即可保持電荷。 「十年前，人們認為這非常簡單：FRAM 將贏得儲存層級記憶體的競爭，」Ramesh 說。
但 FRAM 有一些明顯的弱點。雖然鐵電材料可以製造出色的電容器，但它們不容易與其他矽製成的組件整合。 Ramesh 表示：「你不能將 FRAM 直接放在矽晶圓上，」這使得廉價製造成為一項挑戰。科學家也擔心 FRAM 的長期可靠性，儘管 Ramesh 和同事最近開發了一種技術，允許 FRAM 晶片讀取和寫入資料數百萬次而沒有任何退化跡象（SN：2013 年 7 月 13 日，第 14 頁11）。這比快閃記憶體好大約 1,000 倍，可以讓大多數用戶安全地儲存資料數十年。
惠普聲稱其新一代儲存裝置比快閃記憶體快 100 倍，並且可以容納至少兩倍的資料。另外，它的裝置由二氧化鈦製成，與矽相處得很好。 HP 憶阻器是記憶電阻的縮寫，它會根據流過它的電流方向改變其電氣特性，然後在電源關閉時記住這些電荷。 2008 年 5 月，由史丹利威廉斯 (Stanley Williams) 領導的團隊在自然並展示了其快速、大容量儲存的潛力（SN：2008 年 5 月 24 日，第 14 頁13）。 2010 年，威廉斯仍然充滿熱情，他對惠普的出版物表示：“我們相信憶阻器是一種通用記憶體，隨著時間的推移，它可能會取代快閃記憶體、DRAM 甚至硬碟。”
惠普並未透露何時將憶阻器推向市場，但最快可能在明年。拉梅什表示，惠普必須解決對該設備長期可靠性的擔憂。同時，在八月份，位於加州聖克拉拉的一家名為 Crossbar 的小公司宣布，它已經開發出一種類似類型的快速記憶體，稱為電阻式 RAM。該公司聲稱已經生產出一種商業上可行的郵票大小的晶片，可以容納 1 TB 的資料（即 1012位元組），但尚未宣布其產品何時上市。
相變記憶體已經在電子領域找到了應用。該裝置由鍺、銻和碲的化合物製成，其電特性隨溫度而變化：它可以表現為正常固體或無定形流動物質。這個想法是根據記憶體儲存的是 1 還是 0 來熔化或固化化合物。開始銷售用於基本手機的基本相變記憶體。
還有其他儲存級記憶體技術也在發揮作用。三星正在研究自旋轉移矩 RAM，它利用電流來改變薄層材料的磁方向。 IBM 正在探索賽道記憶體，它依靠電流穿過微小的網格來操縱可以在 1 和 0 之間切換的更小的磁性單元。
所有這些記憶體升級都面臨技術挑戰，但也存在經濟挑戰。製造商多年來一直在生產硬碟、快閃記憶體和 DRAM，他們不會急於採用有風險的技術。 「現代半導體開發成本極其高昂，」在加州聖荷西 IBM 阿爾馬登研究中心研究儲存層級記憶體的 Geoffrey Burr 表示。出售。
更智慧的設備
創建儲存層級記憶體的道路比大多數研究人員預期的要坎坷，但他們的目光仍然集中在這個成果上。他們知道，當儲存層級記憶體最終推向市場時，消費者和企業的生活將會改變。
Franzon 表示：「您的行動裝置中可以擁有 1 TB 的內存，」或是目前大多數智慧型手機儲存容量的 30 到 60 倍。 “這將極大地改變用戶體驗。”例如，他說，人們可以在手機上儲存數千部電影，而不必在線上播放它們。
然而，更好的儲存級記憶體不僅僅意味著升級智慧型手機。 Google和Facebook 等科技巨頭經營龐大的資料中心，這些資料中心使用緩慢的硬碟和耗電的DRAM 晶片來儲存和分析PB 級（超過100 億個1 和0）的搜尋字詞、按讚和關係狀態。這些龐大設施的能源成本高昂；他們需要自己的發電廠和冷卻設施來維持運作。 2010年，Google的伺服器使用了230萬兆瓦時的能源，足以為20萬個家庭供電一年。用儲存級記憶體取代硬碟和 DRAM 將加快伺服器速度並大幅削減能源需求。
許多其他大數據用戶也將從中受益。醫生可以快速篩選醫療記錄和研究來診斷患者並制定治療方案。科學家可以在基因序列和天文影像中尋找模式。 （智利的大型綜合巡天望遠鏡計劃在十年內開始掃描天空，預計每晚產生 30 TB 的數據，相當於約 400 萬張高質量照片。）政府國防機構肯定會喜歡能夠快速查出恐怖分子網絡並識別威脅資訊的計算機。
一些電腦科學家表示，一旦儲存級儲存裝置（無論是增強型快閃記憶體、憶阻器、相變或未開發的神秘材料）超越其競爭對手，真正的樂趣就會開始。拉梅什將當今電腦的分層方法（掩蓋了記憶的缺點）與人腦中發生的複雜的多工處理進行了對比。他說，如果工程師最終能夠建立與處理器協同工作的內存，那麼他們就可以考慮創建同時進行計算和調用的設備。這種巨大的轉變將進一步優化電腦來完成我們要求它們完成的工作，也許最終會產生一種連馮諾依曼這樣的有遠見的人都認不出的機器。
