新型存储介质怎么率先攻克大规模商业化应用难题？（上）

摘要： 随着信息技术的飞速发展，传统存储介质逐渐面临性能瓶颈，新型存储介质应运而生。本文详细介绍了相变存储器（PCM）、磁阻随机存储器（MRAM）、阻变存储器（ReRAM）、碳纳米管随机存储器（N RAM）、铁电存储器（FRAM）、光存储介质、DNA 存储、玻璃存储、生物存储、量子存储和石墨烯存储等多种新型存储介质的原理、性能特点、应用现状，并对其未来研究方向进行了深入探讨与展望，旨在为计算机存储通讯技术领域的研究人员和从业者提供全面的技术参考，推动新型存储介质的进一步发展与应用。

计算机存储通讯技术是现代信息技术的核心组成部分，其性能的提升对于计算机系统的整体运行效率和数据处理能力起着至关重要的作用。传统的存储介质如硬盘、DRAM 等在存储密度、读写速度、功耗和可靠性等方面逐渐难以满足日益增长的需求。新型存储介质的出现为解决这些问题带来了新的希望，它们各自具有独特的优势，有望在不同的应用场景中发挥重要作用，甚至可能引发计算机存储通讯领域的革命性变革。

新型存储介质的原理、特点与应用现状

相变存储器（PCM）

原理

PCM 通过精确控制热能的输入与散发，促使相变材料在低电阻结晶（导电）状态和高电阻非结晶（非导电）状态之间灵活转换，以此实现数据的精准存储。例如，在写入数据时，通过电流脉冲产生的热量使相变材料迅速升温并改变其晶体结构，从而记录下相应的数据信息；读取数据时，则依据材料电阻状态的不同来判断所存储的数据值。

性能特点

PCM 具备多项卓越性能。其寿命长，能够承受大量的读写操作而不易损坏；功耗低，在数据存储过程中消耗的能量较少；存储密度高，可在有限的空间内存储更多的数据；抗辐照特性极佳，即使在高辐射环境下仍能稳定运行，保持数据的完整性和准确性。此外，其写入速度接近 DRAM，读取速度更是显著快于 NAND 闪存，这使得它在需要频繁读写数据的应用场景中表现出色。

应用现状

在汽车行业，PCM 得到了越来越广泛的应用。高级驾驶辅助系统、信息娱乐系统、导航系统以及自动驾驶汽车等都依赖 PCM 来高效处理和存储大量实时数据。例如，自动驾驶汽车在行驶过程中需要不断地采集和分析周围环境的数据，PCM 能够快速地存储和读取这些数据，为车辆的安全行驶和智能决策提供有力支持。在商业产品方面，英特尔和美光联合研发的 3D XPoint、铠侠推出的 XL - Flash 以及三星的 Z - NAND 等都是基于相变存储技术的代表性产品。同时，北京时代全芯存储技术股份有限公司也在相变存储器的研发和量产方面取得了显著成果，其产品芯片已成功应用于一些特定领域。

磁阻随机存储器（MRAM）

原理

MRAM 基于隧穿磁阻效应这一独特的物理现象。通过巧妙地施加电流磁场，能够精准地改变电子自旋方向，进而利用不同的电子自旋状态来表示不同的数据信息。这种基于微观电子自旋的存储方式使得 MRAM 在数据存储和读取方面具有独特的优势。

性能特点

MRAM 的突出优点之一是其读写次数几乎不受限制，这意味着它可以在长时间内频繁地进行读写操作而不会出现性能明显下降的情况。写入速度快，能够迅速地将数据写入存储单元；功耗低，在数据保持过程中几乎不消耗能量，大大降低了整体功耗。此外，它还具有高度的整合度，能够与逻辑芯片紧密结合，实现更高效的系统集成。这些特性使得 MRAM 特别适用于嵌入式存储和物联网设备等对存储性能和功耗要求较高的应用场景。

应用现状

目前，MRAM 产品主要应用于容量要求相对较低但对读写性能和稳定性要求较高的特殊领域，如 IoT 嵌入式存储领域。在企业研发方面，国内的海康驰拓、致真存储等企业专注于 MRAM 的研发与创新应用，致力于提升其性能并拓展其应用范围。国外的 Everspin 作为首个商业化 MRAM 产品的初创企业，在推动 MRAM 技术的商业化进程中发挥了重要作用，其产品已在一些特定的工业控制、航空航天等领域得到应用。

阻变存储器（ReRAM 或 R RAM）

原理

ReRAM 利用非导性材料在外加电场作用下呈现出的高阻态和低阻态之间的可逆转换特性来存储数据。当施加不同方向或强度的电场时，材料内部的微观结构会发生相应变化，从而导致电阻状态的改变，通过检测电阻值即可读取存储的数据信息。

性能特点

ReRAM 具有高速度、低功耗和高集成度等显著优势。其读写速度极快，能够满足当今高速数据存储和处理的严苛需求，无论是在数据中心的大规模数据处理还是在移动设备的快速响应应用中都具有很大的潜力。同时，其结构相对简单，易于实现高密度集成，为构建大容量存储器件提供了便利条件。

应用现状

在商业化应用方面，ReRAM 主要涵盖存储应用和存算应用两大方向。在存储应用领域，英特尔、松下等大型企业已将 ReRAM 应用于 MCU 领域，充分发挥其快速读写和低功耗的特点，提升了 MCU 的性能和可靠性。国内的亿铸科技则积极探索基于 ReRAM 的存算一体架构，致力于通过这种创新架构实现 AI 大算力芯片，并将其应用于中心侧与边缘侧的多样化应用场景中，为人工智能和物联网的发展提供强大的存储和计算支持。

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