从芯片到系统：探索RAM与MRAM协同设计的新范式

从芯片到系统：探索RAM与MRAM协同设计的新范式

在摩尔定律放缓的背景下，单一技术突破已难以满足算力需求。因此，跨层级、跨材料的协同设计成为新一代计算系统的核心战略。其中，将传统RAM芯片与新型MRAM技术深度融合，构建“混合内存系统”，正在重塑存储架构的设计逻辑。

1. 协同设计的必要性

现代计算系统对存储的要求呈现“三高”特征：高带宽、高密度、高能效。单一存储介质难以兼顾所有特性。通过协同设计，可以实现：

• 性能互补：用高速RAM应对高频访问，用非易失性MRAM承载持久数据。
• 功耗优化：减少待机功耗，避免频繁刷新。
• 可靠性增强：关键数据冗余存储于MRAM，防止意外丢失。

2. 架构层面的创新

新型系统架构如：

• 存内计算（Computing-in-Memory）：将部分计算单元嵌入MRAM阵列，减少数据搬运延迟。
• 分层缓存结构：L1/L2缓存使用高速SRAM，L3缓存采用MRAM，主存则由大容量DRAM与MRAM混合构成。
• 统一地址空间（Unified Address Space）：操作系统可透明访问所有存储层级，简化编程模型。

3. 制造与封装技术支撑

实现高效集成依赖先进封装技术：

• Chiplet架构：将不同功能模块（如CPU核心、RAM、MRAM）作为独立小芯片，再通过CoWoS或EMIB互连。
• 先进键合技术：如微凸块（Microbump）、混合键合（Hybrid Bonding），实现超高密度信号传输。
• 异质集成平台：支持不同材料（硅、氮化镓、铁氧体）的共存与协同工作。

4. 实际案例分析

以英特尔与格芯合作的MRAM项目为例，其在2023年推出的嵌入式MRAM产品已成功集成至部分SoC中，用于替代传统SRAM作为缓存，实现了：

• 功耗降低40%。
• 系统启动时间缩短60%。
• 数据恢复能力显著提升。

5. 未来发展方向

未来的协同设计将向“智能调度”演进，即：

• 利用机器学习算法预测访问模式，动态分配数据存储位置。
• 开发新型内存控制器，支持多类型存储介质的统一管理。
• 推动标准接口（如MIPI、OpenCAPI）支持混合内存配置。

这标志着从“硬件堆叠”迈向“智能协同”的新阶段。