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内存的未来，在哪里？

晰数塔互联网快讯
2023-09-21 11:34

什么才是内存的未来？

英特尔无疑是对未来技术押宝最多的厂商之一，从Rambus DRAM，到后来的傲腾3D Xpoint内存，它表现出了对更先进技术的探索与渴望，只可惜，这两种被英特尔寄予厚望的内存技术却最终都被自己亲手判了死刑，让人扼腕叹息。

而在傲腾谢幕之后，又有哪些技术值得大家关注呢？

来自Coughlin Associates的Tom Coughlin和来自Objective Analysis的Jim Handy近期发布了一份报告，两位半导体分析师对目前五种新兴存储技术的前景进行了详尽的分析，从中我们或许可以窥得技术发展的一角。

分析师首先总结了傲腾失败的经验教训。半导体制造的本质是产量越高，成本越低，有了傲腾，英特尔本可以提高产能来降价，并带动芯片销量。但傲腾一开始的产能并不充沛，这意味着芯片成本较高，且必须自己承担这部分损失，要求销量不断上升，直到证明产能增加的合理性，最终降低每块芯片的成本，从而大幅盈利。

这也表明了规模经济在新兴存储器市场发挥的作用可能比我们想象的还要大，报告中给出了一个结论，即晶圆体积必须接近竞争技术体积的10%，才能实现成本均等。

而在傲腾逐步走向失败的过程中，有五种新兴存储技术开始登上舞台，包括MRAM、相变存储器（ PCM）、铁电RAM（FERAM）、电阻式存储器RAM（ReRAM）和NRAM/UltraRAM，它们有望超越NAND和NOR的扩展限制，且功耗比DRAM和SRAM更低。

FRAM/FeRAM

1952年发明的FRAM是历史最悠久的新兴存储器。时至今日，已经有超过40亿颗FRAM芯片搭载于各类设备中。尽管名字里带铁，但FRAM 并没有使用任何铁，它只是具有一个类似于铁磁性的磁滞回线，并且该磁滞回线允许它存储数据。

FRAM的原理是利用某些晶格的独特物理特性，在铁电材料中，原子可以占据晶格内两个稳定位置之一，电场将晶格内的移动原子移动到两个稳定位置之一，具体取决于电场的极性和一些物理属性（可能是电容或电阻），同时取决于被捕获原子的位置。

目前也有多家厂商还在生产FRAM，例如英飞凌主要生产分立FRAM芯片，而德州仪器和富士通则将该技术嵌入到MCU中，富士通还在地铁车票里嵌入了FRAM芯片，主要原因是它的写入能耗是存储技术中相对最低的。

为什么FRAM发明了这么久，生产了数十亿颗芯片后依旧不为人知，还被列入新兴存储技术呢？

原因是FRAM之前主要基于锆钛酸铅（PZT）和钽酸锶铋（SBT），但这两种材料都包含铅或铋，会对晶圆厂造成污染，因而限制了它的产能。幸运的是，2011年人们发现氧化铪（HfO）在某些条件下具有铁电特性。HfO是FinFET中使用的高K栅极电介质的基础，不仅解决了产能问题，而且不会造成污染，因而尽管HfO还没有正式用来生产，但未来前景十分广阔。

与闪存相比，FRAM的优势包括功耗更低、写入速度更快和最大读/写耐久性更高，FRAM在+85 °C 的数据保存时间超过10年（在较低温度下可长达数十年），但它也有自己的缺点，即存储密度远低于闪存设备，存储容量有限，成本较高。截至2021年，不同供应商销售的芯片的存储大小（密度）不超过 16Mb。

目前，FRAM现在正在通过CMOS技术嵌入到芯片中，使MCU能够拥有自己的FRAM存储器，这比在MCU芯片中嵌入闪存所需的级数要少，从而大大降低了成本。

PCM

由于英特尔推出的傲腾内存，相变存储器（PCM 或 PRAM）早已成为新兴存储器技术中收入遥遥领先的存在。事实上，早在1970年，英特尔的戈登-摩尔（Gordon Moore）与罗恩-尼尔（Ron Neale）以及D-L-尼尔森（D L Nelson）就共同撰写过一篇关于256位PCM原型的文章，其研发历史之悠久，并不逊色其他存储技术。

PCM的起源要追溯到1960年，奥夫申斯基成立了能源转换实验室，研究非晶材料及其相变特性。该实验室于1964年更名为能源转换设备公司（ECD），奥夫申斯基的众多创新成果之一就是以他本人命名的Ovonics相变存储器。英特尔最终与ECD合作，获得了Ovonics相变存储器的知识产权许可，并于2015年正式发布了3D XPoint PCM。

除去英特尔，意法半导体生产过带有PCM程序存储器的微控制器（MCU），而三星和美光这类存储厂商也都在十多年前大规模生产了PCM NOR闪存替代产品，不过这部分产品的存在时间相当短。

PCM的基础是一种沉积在标准CMOS逻辑芯片上方的瑀玻璃材料，这种材料会根据玻璃的特性改变其状态，玻璃从结晶状态和非晶状态，分别对应导电或电阻状态。其提高存储容量的方式有两种：一种是三维堆叠，是英特尔和美光专注的领域；还有一种是多值技术，IBM在该领域取得了突破性进展。

和闪存相比，PCM的优点非常多，如可嵌入功能强、优异的可反复擦写特性、稳定性好以及和CMOS工艺兼容等。事实上，到目前为止，还未发现PCM有明确的物理极限，在相变材料的厚度降至2nm时，器件仍然能够发生相变。

PCM的最大优势就是可以采用交叉点配置，在两条正交导电线的交叉处存储数据，这有利于堆叠，从而使芯片尺寸和生产成本低于除3D NAND以外的任何成熟技术。

但PCM也有不容忽视的缺点，发热仍然是主要问题，虽然内存是热稳定的并且可以处理高温应用，但对单元进行编程时产生的热量可能影响其相邻单元，局部加热会导致电池上方出现空隙，此外，闪存每个单元存储和检测多个位的能力，使它目前仍然比PCM具有存储容量优势。

近几年，人们对PCM在内存计算中的应用产生了浓厚的兴趣。其想法是通过利用PCM的模拟存储能力和基尔霍夫电路定律，在存储器阵列本身中执行计算任务，例如矩阵向量乘法运算。2021年，IBM发布了基于集成在14 nm CMOS技术节点的多级PCM的成熟内存计算核心。

MRAM

磁性RAM（MRAM）是一种基于所有磁性记录（硬盘、磁带等）物理原理的技术，但其应用方式去除了机械元素。截至目前，摩托罗拉和飞思卡尔的研究成果催生出的Everspin公司是该技术的领先者2021年该公司的营业收入为4400万美元。

此外，Avalanche和Numem最近也加入了生产MRAM的行列，而台积电、格芯和三星等代工厂都推出了嵌入式MRAM工艺，目前MRAM工艺已开始应用于物联网应用和微功耗设备的SoC中。

MRAM的种类非常丰富，但它们的结构都非常相似，都使用钴和镁层作为巨磁阻（GMR）传感器和磁开关元件的组合，它们也被大量用于硬盘读/写磁头，其主要优势在于速度，不少人设想过MRAM将来能够取代高速SRAM。

经过多年研究，MRAM已经分为多种类型和路线：STT-MRAM有效地解决了SRAM存储器在不活动时“泄漏”能量的问题；SOT-MRAM显著提高了器件的耐用性和读取稳定性，消除了STT-MRAM器件中固有的开关延迟；VCMA-MRAM进一步降低了STT-MRAM的功耗，但写入速度相对较慢；VG-SOT则综合了前两者的优点，但制造工序较为复杂，功能有待验证；（VG-）SOT MRAM在模拟内存计算方面具备更大潜力……

多年来，不同类型的MRAM存储器件不断涌现，在写入速度、可靠性、功耗和面积消耗之间进行权衡，根据具体特性有完全不同的应用，例如用于嵌入式闪存和末级缓存的STT-MRAM、用于较低级缓存的SOT-MRAM、用于超低功耗应用的VCMA-MRAM，最后是VG-MRAM，VG-SOT MRAM作为终极统一高速缓存，还具有内存计算的优势。

在MRAM中，数据通常存储在磁性可以改变的“自由”层中，并与生产时设置的“固定”层进行比较，GMR传感器负责检测两者之间的差异。大多数MRAM变体的最大区别在于数据的写入方式。所有MRAM的每个位单元都至少使用一个晶体管，而许多MRAM则使用两个晶体管，且电流相当大，这也让该技术的生产成本效益低于其他技术。

MRAM具有SRAM兼容的读/写周期，因此特别适合于那些必须以最小延迟存储和检索数据的应用程序，它成功把低延迟、低功耗、无限持久性、可伸缩性和非易变性结合到了一起。

作为一种磁性技术，MRAM本质上是抗辐射的，这使得它在航空航天应用中很受欢迎，而且这些应用对价格的敏感度也较低。此外，MRAM还在企业存储中找到了一席之地，例如IBM的闪存核心模块，其中Everspin的MRAM用作意外断电时的缓冲区。

MRAM在工业应用中也有广阔的前景，分析师表示，工业应用程序需要具有非常快的写入能力，且需要非易失性存储，但NAND闪存、NOR闪存和EEPROM的写入速度都非常慢，并且消耗大量电力，而额外搭配电池的SRAM，每隔几年就需要更换电池，对比之下MRAM在这些场景中就显得如鱼得水了。

汽车行业则是MRAM如此受欢迎的重要原因之一，由于对MCU的需求不断增加，闪存的成本水涨船高，因而不少供应商开始从闪存转向eMRAM。2022年，瑞萨电子宣布推出STT-MRAM测试芯片，其表示，与采用FEOL制造的闪存相比，在22nm以下工艺中，采用BEOL制造的MRAM具有优势，因为它与现有CMOS兼容逻辑工艺技术，并且对额外掩模层的需求更小。

IBM的态度更加乐观。IBM杰出研究人员兼高级经理Daniel Worledge表示：“大约三年后，您将能够指着街上的每辆新车并说该车内有eMRAM。”“先进节点中不再有嵌入式闪存，所有代工厂都已停止开发它，过渡期为22nm和28nm，具体取决于代工厂。”

ReRAM/RRAM

1971年，加利福尼亚大学伯克利分校的莱昂·蔡（Leon Chua）撰写了一篇题为“忆阻器——缺失的电路元件”的理论论文。该论文描述了第四种基本无源电子器件——忆阻器，它可以根据先前流过该器件的电荷量来调节流过自身的电流。此时的忆阻器还只是一种理论，它是一种假想的器件，满足了描述其他三种基本无源电子元件（电阻、电容和电感）行为的方程式对对称性的需求。

而将近四十年后，也就是2008年，惠普实验室宣布已经成功用二氧化钛制造出了忆阻器，且忆阻器是一种非二进制器件，可以用来存储模拟或数字数据，当时有人预测DRAM即将消亡，忆阻器将以电阻存储器或RRAM的形式取而代之，当时惠普表示，将在即将推出的月球计算机中采用RRAM。

但到了2015年，惠普又撤销了这一决定，表示将在月球计算机中使用DRAM，而不是忆阻器，在惠普宣布忆阻器生产成功的15年后，RRAM革命仍未发生，而且似乎也不会很快发生。

与MRAM一样，电阻式RAM（ReRAM 或 RRAM）也有多种变体，它们都是通过在标准CMOS逻辑上沉积特殊材料来制造的。

ReRAM代工工艺主要由台积电、华邦和格芯提供支持，瑞萨（通过收购 Adesto）、富士通、微芯和索尼将ReRAM作为独立产品生产，新唐科技则将其用于微控制器中，目前全球也有许多公司正在开发ReRAM工艺。

ReRAM的技术原理是在电阻式 RAM 单元中，电流通过两根导线来检测位单元的电阻是高还是低，通常情况下，通过向正或负方向增加电压来改变单元的状态，从而增加或降低单元的电阻，通过将金属离子或氧空位等导电元素移入电桥，或从现有电桥中移除这些元素来实现的。有一部分可能会认为，大多数其他新兴存储技术（PCM、MRAM 和 FRAM）都可以归入ReRAM类别，因为它们也使用可变电阻来指示存储器位的状态。

ReRAM的关键特性与PCM一样，它可以内置于用于堆叠的交叉点单元中，并且由于可以在单个位单元上存储线性值，因此未来也有机会能够用在神经网络之中。

ReRAM的主要优点在于消耗电力较低，不需要像传统存储器件那样消耗大量的能量来维持存储状态，部分RRAM材料还具备多种电阻状态，使得单个存储单元存储多位数据成为可能，从而提高存储密度，不过在随机读写速度和耐久度上相对其他新兴技术不具备优势。

多年来，与ReRAM技术相关的专利申请数量在不断增加，尤其是2010年以后，专利申请量显着增加，目前三星拥有最多数量的相关专利，紧随其后的是美光和SK海力士，主要存储厂商都对于这项技术表示出了兴趣。

NRAM/UltraRAM

NRAM是Nantero公司的专有计算机内存技术，它是一种基于沉积在芯片状基板上的碳纳米管位置的非易失性随机存取存储器，理论上，纳米管的小尺寸可以实现非常高密度的存储器。

Nantero公司花费了将近20年的时间来研究NRAM，它工作方式和其他存储有所不同，其由碳纳米管层所制作而成，碳纳米管是由催化剂微粒（最常见的是铁元）生长而来的。每个NRAM“单元”或晶体管由一个碳纳米管网络组成，其工作原理与其他非挥发性RAM技术相同。相互不接触的碳纳米管呈现高电阻状态，代表“关闭”或“0”状态；当碳纳米管相互接触时，它们呈现低电阻状态，代表“开启”或“1”状态。

与NAND和DRAM相比，NRAM能耗更低，待机模式的功耗接近于零，写入速度更快，且具有无限的扩展性。FRAM突破不了100纳米，EEPROM一般为60多纳米， NOR Flash为十几纳米，而NRAM可以推进至5纳米，未来的扩展空间比较大。

NRAM相对于传统闪存的另一大优势是耐久度，可实现几乎无限的读写循环。它们还具备耐热、耐寒、抗电磁干扰和辐射的能力， Nantero表示，其在85摄氏度下可以保存数千年，并在300摄氏度下经过了10年的测试，也没有丢失哪怕一比特的数据。

NRAM不但可以做数据储存也可以做程序储存，这一特性对消费类电子市场具备巨大吸引力。目前，针对独立NRAM和嵌入式NRAM的产品开发项目正在进行中。正在寻求独立NRAM的三个目的：用于DRAM替换，用于NAND闪存替换以及用于DRAM和NAND闪存都无法寻址的应用。在嵌入式存储器领域，正在进行使用嵌入式NRAM代替嵌入式非易失性存储器的工作，包括嵌入式闪存或嵌入式RAM（SRAM或DRAM）。

2016年富士通和USJC公布，已经与Nantero企业达成共识，获得NRAM技术授权，可以进行 NRAM的开发设计与生产制造，作为NRAM的第一代产品，富士通16Mbit的DDR3 SPI接口产品预计将于2021年前后上市。

总结

随着AI、物联网等领域的兴起，使得大数据的应用越来越广泛，而这部分新领域催生了对存储的新需求，读取速度快、存储密度高、寿命长、电压低、尺寸更小成为了目前最为迫切的需求，但目前的几种存储已经力不从心。

这也为上述的五种存储技术提供了新的机会，不论哪一种存储技术，都有自己的独到之处，具备对闪存的巨大优势，其中MRAM由于类型丰富，应用前景广阔，综合优势明显，成为了半导体分析师最为看好的一项技术。但这并非代表MRAM稳操胜券，随着其他存储技术的发展和应用，未必没有取而代之的可能性。

参考来源

Five emerging memory technologies， with MRAM in pole position——block&files

Why ’emerging’ memories have not succeeded——eenews

MRAM Getting More Attention At Smallest Nodes——semiengineering

本文来自微信公众号：半导体行业观察（ID：icbank），作者：邵逸琦