本文來自全球半導(dǎo)體觀察，作者/韋思維。
隨著5G、人工智能（AI）、智能汽車等新興應(yīng)用的快速更迭，市場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在速度、功耗、容量、可靠性等層面提出了更高要求，存儲(chǔ)器技術(shù)也在不斷地面臨著新的挑戰(zhàn)。
在當(dāng)前主流的存儲(chǔ)器技術(shù)中，DRAM雖然速度快，但功耗大、容量低、成本高，且斷電無法保存數(shù)據(jù)，使用場(chǎng)景受限；NAND Flash讀寫速度低，存儲(chǔ)密度明顯受限于工藝制程。
為了突破DRAM、NAND Flash等傳統(tǒng)存儲(chǔ)器的局限，存儲(chǔ)器技術(shù)壁壘不斷被突破，新型存儲(chǔ)技術(shù)開始進(jìn)入大眾視野。
壹
新型存儲(chǔ)有哪些？
目前，新興的存儲(chǔ)技術(shù)旨在集成SRAM的開關(guān)速度和DRAM的高密度特性，并具有Flash的非易失特性。新型存儲(chǔ)技術(shù)可主要分為相變存儲(chǔ)器?(PCM，Phase Change Memory)、磁變存儲(chǔ)器（MRAM）、阻變存儲(chǔ)器（RRAM/ReRAM）以及鐵電存儲(chǔ)器（FRAM/FeRAM）。
相變存儲(chǔ)器通過相變材料相態(tài)的變化獲得不同的電阻值，主要適用于大容量的獨(dú)立式存儲(chǔ)應(yīng)用。磁變存儲(chǔ)器通過磁性材料中磁籌的方向變化改變電阻，主要適用于小容量高速低功耗的嵌入式應(yīng)用。
而阻變存儲(chǔ)器則利用阻變材料中導(dǎo)電通道的產(chǎn)生或關(guān)閉實(shí)現(xiàn)電阻變化，目前主要用于物理不可克隆芯片（Physical Unclonable Function，PUF），并有可能在未來的人工智能、存算一體等領(lǐng)域發(fā)揮作用。此外，近年來，存算一體正逐漸成為解決當(dāng)前存儲(chǔ)挑戰(zhàn)的熱門趨勢(shì)之一。
上述新型存儲(chǔ)技術(shù)都具備一些共性，比如具有非易失性或持久性的特點(diǎn)，而所有的主流非易失性存儲(chǔ)器均源自于只讀存儲(chǔ)器（ROM）技術(shù)；部分技術(shù)可通過工藝縮小尺寸，從而降低成本；無需使用閃存所需的塊擦除/頁寫入方法，從而大大降低了寫入耗電需求，同時(shí)提高了寫入速度。下表為新型存儲(chǔ)技術(shù)關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比：
圖表來源：全球半導(dǎo)體觀察制表
貳
各路技術(shù)？
相變存儲(chǔ)器（PCM）
PCM是通過熱能的轉(zhuǎn)變，使相變材料（什么叫相變？，比如水在0°時(shí)從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，稱為相變）在低電阻結(jié)晶（導(dǎo)電）狀態(tài)與高電阻非結(jié)晶（非導(dǎo)電）狀態(tài)間轉(zhuǎn)換，即通過相變材料相態(tài)的變化獲得不同的電阻值，也正因此有人認(rèn)為它可以被歸類于阻變存儲(chǔ)器（RRAM）內(nèi)。
PCM擁有壽命長(zhǎng)、功耗低、密度高、抗輻照特性好的技術(shù)特點(diǎn)，同時(shí)在寫入更新代碼之前，PCM不需要擦除以前的代碼或數(shù)據(jù)，所以其讀寫速度比NAND Flash有所提高，讀寫時(shí)間較為均衡。PCM被認(rèn)為是與CMOS工藝最兼容，技術(shù)最成熟的存儲(chǔ)技術(shù)。
對(duì)于PCM來說，溫度、成本、良率等都是其技術(shù)突破瓶頸的關(guān)鍵條件。另外，PCM采用的多層結(jié)構(gòu)可使相變材料兼容CMOS工藝，但這也導(dǎo)致存儲(chǔ)密度過低，因而PCM在容量上沒法做到替代NAND Flash。PCM技術(shù)主要以英特爾與美光聯(lián)合研發(fā)的3D Xpoint為代表。
2006年，英特爾與三星合作生產(chǎn)第一款商用PCM芯片。2015年，英特爾聯(lián)合美光共同開發(fā)出一種革命性的存儲(chǔ)芯片——3D Xpoint，前者為該技術(shù)冠名為傲騰（Optane），后者則稱為QuantX。3D Xpoint技術(shù)是一種非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，與NAND閃存通過晶體管充放電存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的工作原理不同，3D Xpoint則是通過PCM相變材料來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
英特爾與美光表示，3D Xpoint雖然速度遜于DRAM，但其具備1000倍閃存的性能、1000倍的可靠性以及10倍的容量密度。
不過，令人遺憾的是，隨著英特爾傲騰業(yè)務(wù)的關(guān)閉，3D XPoint技術(shù)也將被淹沒在歷史的長(zhǎng)河。據(jù)外媒《Tomshardware）去年11月報(bào)道，英特爾已悄悄推出傲騰（Optane）SSD DC P5810X固態(tài)硬盤，這可能是英特爾最后一個(gè)基于3D XPoint閃存的存儲(chǔ)設(shè)備。
不過，業(yè)界仍在研發(fā)PCM技術(shù)，在去年年初，華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院信息存儲(chǔ)材料及器件研究所（ISMD）聯(lián)合西安交通大學(xué)材料創(chuàng)新設(shè)計(jì)中心（CAID）研發(fā)了一種網(wǎng)狀非晶結(jié)構(gòu)的相變存儲(chǔ)器，功耗達(dá)到了0.05pJ以下，比主流產(chǎn)品功耗低了一千倍。
磁變存儲(chǔ)器（MRAM）
MRAM是一種基于隧穿磁阻效應(yīng)的技術(shù)，MRAM的產(chǎn)品主要適用于容量要求低的特殊應(yīng)用領(lǐng)域以及新興的IoT嵌入式存儲(chǔ)領(lǐng)域，該技術(shù)擁有讀寫次數(shù)無限、寫入速度快（寫入時(shí)間可低至2.3n）、功耗低、和邏輯芯片整合度高的特點(diǎn)。
目前主流的MRAM技術(shù)主要以美國(guó)Everspin公司推出的STT-MRAM（垂直混合自旋扭矩轉(zhuǎn)換磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器）為代表。Everspin是一家設(shè)計(jì)、制造和商業(yè)銷售離散和嵌入式磁阻RAM（MRAM）和自旋傳遞扭矩MRAM（STT-MRAM）的企業(yè)。
2019年，Everspin與晶圓代工廠格芯合作，試生產(chǎn)28nm 1Gb STT-MRAM產(chǎn)品；2020年3月，雙方宣布已將聯(lián)合開發(fā)的自旋轉(zhuǎn)矩（STT-MRAM）器件的制造，擴(kuò)展至12 nm FinFET平臺(tái)，通過縮小制程有助于雙方進(jìn)一步拉低1 Gb芯片成本。Everspin在數(shù)據(jù)中心、云存儲(chǔ)、能源、工業(yè)、汽車和運(yùn)輸市場(chǎng)中部署了超過1.2億個(gè)MRAM和STT-MRAM產(chǎn)品。
STT MRAM使用隧道層的“巨磁阻效應(yīng)”來讀取位單元，當(dāng)該層兩側(cè)的磁性方向一致時(shí)為低電阻，當(dāng)磁性方向相反時(shí)，電阻會(huì)變得很高。與其他新興存儲(chǔ)技術(shù)相比，STT-MRAM耐用性較為出色，并且存儲(chǔ)速度極快，還被認(rèn)為是最高級(jí)的緩存存儲(chǔ)器。
MRAM還有另一種技術(shù)是SOT-MRAM（自旋軌道扭矩磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器），采用三端式MTJ結(jié)構(gòu)，將讀取和寫入路徑分開，通過分離讀寫路徑，提供更高的耐用性。
憑借存儲(chǔ)速度和耐用性的特點(diǎn)，這兩種存儲(chǔ)器有望成為高性能計(jì)算系統(tǒng)（如數(shù)據(jù)中心）分級(jí)存儲(chǔ)體系中的上佳選擇。不過，如果要將STT-MRAM或SOT-MRAM用作高密度存儲(chǔ)器，還需在存儲(chǔ)器成本和密度方面有進(jìn)一步提升。
阻變存儲(chǔ)器（RRAM/ReRAM）
ReRAM是以非導(dǎo)性材料的電阻在外加電場(chǎng)作用下，在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間實(shí)現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)的非易失性存儲(chǔ)器，該技術(shù)具備一般小于100ns的高速度、耐久性強(qiáng)、多位存儲(chǔ)能力的特點(diǎn)。
ReRAM被分為許多不同的技術(shù)類別，包括氧空缺存儲(chǔ)器(OxRAM，Oxygen Vacancy Memories)、導(dǎo)電橋存儲(chǔ)器(CBRAM，Conductive Bridge Memories)、金屬離子存儲(chǔ)器(MeRAM，Metal Ion Memories)、憶阻器(Memristors)、以及納米碳管(CaRAM，Carbon Nano-tubes)，代表公司有美國(guó)Crossbar、松下和昕原半導(dǎo)體。
ReRAM由于存儲(chǔ)介質(zhì)中的導(dǎo)電通道具有隨機(jī)性，在二進(jìn)制存儲(chǔ)中難以保證大規(guī)模陣列的均一性。所以，業(yè)界普遍認(rèn)為，ReRAM能夠充分滿足神經(jīng)形態(tài)計(jì)算和邊緣計(jì)算等應(yīng)用對(duì)能耗、性能和存儲(chǔ)密度的要求，預(yù)期將在AIoT、智能汽車、數(shù)據(jù)中心、AI計(jì)算等領(lǐng)域獲得廣泛的運(yùn)用，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)存算一體的最佳選擇之一。
在新興的存儲(chǔ)技術(shù)中，ReRAM技術(shù)更適合在存儲(chǔ)單元中采用多級(jí)存儲(chǔ)，有利于降低存儲(chǔ)器計(jì)算的能耗、提高成本效益，近年來臺(tái)積電，Crossbar、英特爾、富士通、三星、UMC、Adesto等國(guó)際廠商已對(duì)該技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)布局。
去年12月，英飛凌宣布下一代Aurix微控制器將使用嵌入式非易失性存儲(chǔ)器，特別是電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RRAM），而不是嵌入式閃存（eFlash），并將在臺(tái)積電的28納米節(jié)點(diǎn)上制造。英飛凌基于臺(tái)積電28納米eFlash技術(shù)的Autrix TC4x系列微控制器樣品已經(jīng)交付給主要客戶，而基于臺(tái)積電28納米R(shí)RAM技術(shù)的第一批樣品將于2023年底提供給客戶。
值得一提的是，國(guó)內(nèi)新型存儲(chǔ)企業(yè)昕原半導(dǎo)體在去年6月宣布，其基于ReRAM的“昕·山文”安全存儲(chǔ)系列產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)在工業(yè)自動(dòng)化控制核心部件的商用。這標(biāo)志著ReRAM新型存儲(chǔ)技術(shù)在28nm工藝節(jié)點(diǎn)上通過了嚴(yán)苛的測(cè)試，已被工控領(lǐng)域接受，我國(guó)ReRAM新型存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)化再進(jìn)一步。另外，兆易創(chuàng)新和Rambus聯(lián)手建立合資企業(yè)合肥睿科微，進(jìn)行RRAM技術(shù)的商業(yè)化，目前尚無量產(chǎn)消息。
圖片
鐵電存儲(chǔ)器（FRAM/FeRAM）
FRAM技術(shù)是利用鐵電晶體材料電壓與電流關(guān)系具有滯后回路的特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)，鐵電材料可同時(shí)用于電容器和CMOS集成電路柵氧化層的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
FRAM技術(shù)具有讀寫速度快、壽命長(zhǎng)、功耗低、可靠性高的特點(diǎn)，憑借諸多特性，正在成為存儲(chǔ)器未來發(fā)展方向之一。而FRAM產(chǎn)品已在半導(dǎo)體市場(chǎng)上得到了商業(yè)驗(yàn)證，F(xiàn)RAM存儲(chǔ)器產(chǎn)品已成功應(yīng)用在汽車中，F(xiàn)RAM代表公司包括Ramtron和Symetrix、英飛凌、日本富士通半導(dǎo)體。
此前人們?cè)诒粡V泛用于CMOS柵氧化層的氧化鉿（HfO2）中發(fā)現(xiàn)了鐵電性，引起了業(yè)界的關(guān)注。由于具備速度快、數(shù)據(jù)不易丟失，易于集成到CMOS等優(yōu)點(diǎn)，鐵電材料正作為一種新型存儲(chǔ)器的候選材料得到廣泛研究。
結(jié)語
幾十年來，研究人員日夜埋頭研究，希望能夠研發(fā)出可以取代傳統(tǒng)存儲(chǔ)器的新型存儲(chǔ)技術(shù)。雖然當(dāng)前的新型存儲(chǔ)市場(chǎng)主要集中于低延遲存儲(chǔ)與持久內(nèi)存，還不具備替代DRAM/NAND閃存的能力，但在數(shù)據(jù)爆發(fā)式增長(zhǎng)的時(shí)代下，新型存儲(chǔ)憑借所具備的超強(qiáng)性能、超長(zhǎng)壽命、可靠性及耐高溫等優(yōu)秀的特性，將有望成為存儲(chǔ)器領(lǐng)域的新選擇。
