未来存储技术：突破传统界限，迎接计算新时代

存储技术作为现代计算系统的基石，从基础的数据存储到复杂任务如AI和ML应用，都离不开它们的支持。如今，这些技术正在逐步进化，以适应新的计算范式，如“内存计算”，即在存储阵列中直接进行数据处理。这一进步显著提升了计算效率，因为它减少了处理器与存储器之间的数据传输，从而提高了速度和降低了能耗——这对高负载任务如AI和ML尤为关键。正是这些苛刻的性能需求，正在推动技术革新，突破传统CMOS范式的限制。

新兴非易失性存储（eNVMs）代表了一类极具前景的技术，可用于替代或增强传统的易失性存储器（如RAM）。与RAM不同，eNVMs能够在断电或系统关闭的情况下保持数据完整性。本文综述了多种新兴存储材料和器件架构，并探讨了基于二维材料和有机材料的新型eNVMs。此外，还讨论了从传统数字计算向类突触计算的转变，以及这种转变如何为解决AI在加速科研发现中面临的技术瓶颈带来新机遇。本文还系统分析了当前的技术进展、发展轨迹以及仍需攻克的主要挑战。

非易失性存储器在后CMOS时代的角色

在后CMOS微电子时代，一个关键挑战是如何突破冯·诺依曼计算架构的限制。当前急需一种能兼具多种优点的新型存储器，包括兼容现有CMOS工艺流程，并能突破静态随机存储器（SRAM）和闪存的规模瓶颈。根据2022年《国际器件与系统路线图（IRDS）》报告，这类技术有望引发计算架构的一场革命。

由于电荷型存储器难以实现纳米级层厚，目前技术关注点已转向NAND闪存的三维堆叠结构及各类“新兴”存储器。这些技术已展现出良好的特性，具备进入商用验证阶段的条件。而以下技术尚处于早期发展阶段，但仍具有较大的技术突破潜力。

图1展示了非易失性存储的发展历程、技术发展的时间线、按成熟度划分的新兴存储器设备分类，以及到2035年的电路架构预测。

存储技术的多样性及其优势

新兴存储技术的多样性为特定应用需求提供了多样化的选择。每种技术都具备独特优势，如耐久性高、能效优良，以及适配特定环境或任务的能力。例如，ReRAM与类突触存储器支持“内存计算”，非常适合边缘计算系统。

图 2展示了使用二维材料的三维集成类脑硬件路线图。

柔性基底上的非易失性存储器：前沿技术综述

将非易失性存储器（NVM）技术集成到柔性基底上，近年来获得了广泛关注。这类系统不仅要求存储器具备断电数据保留能力，还需能承受弯曲、拉伸等机械形变。在众多NVM技术中，ReRAM和FeRAM在柔性平台上的表现最为先进。

新兴存储器的制造与使用

新兴存储材料的制造需要在超高真空环境中进行沉积工艺。精密的制造设施能够确保存储器件具有极高的制备精度，并避免污染物引入。理解用于存储器件中的材料的基本属性是至关重要的。

未来计算系统中的“数字转类突触”过渡

现代计算系统正在从数字架构向类脑计算范式转变。这一转变将引发内存计算和实时学习的发展，并促进完全类突触系统的发展。

图 3展示了具有流体离子导向纳米通道的类脑计算。

总结

本文展示了存储技术在不同领域推进所面临的复杂性。解决这些挑战对于推动存储技术的发展至关重要。我们需要建立国家级资源来支持研究、培训和教育工作，以推动该领域的创新。