內存的未來，在哪里？

什麼纔是內存的未來？

英特爾無疑是對未來技術押寶最多的廠商之一，從Rambus DRAM，到后來的傲騰3D Xpoint內存，它表現出了對更先進技術的探索與渴望，只可惜，這兩種被英特爾寄予厚望的內存技術卻最終都被自己親手判了死刑，讓人扼腕嘆息。

而在傲騰謝幕之后，又有哪些技術值得大家關注呢？

來自Coughlin Associates的Tom Coughlin和來自Objective Analysis的Jim Handy近期發佈了一份報告，兩位半導體分析師對目前五種新興存儲技術的前景進行了詳盡的分析，從中我們或許可以窺得技術發展的一角。

分析師首先總結了傲騰失敗的經驗教訓。半導體制造的本質是產量越高，成本越低，有了傲騰，英特爾本可以提高產能來降價，並帶動芯片銷量。但傲騰一開始的產能並不充沛，這意味着芯片成本較高，且必須自己承擔這部分損失，要求銷量不斷上升，直到證明產能增加的合理性，最終降低每塊芯片的成本，從而大幅盈利。

這也表明了規模經濟在新興存儲器市場發揮的作用可能比我們想象的還要大，報告中給出了一個結論，即晶圓體積必須接近競爭技術體積的10%，才能實現成本均等。

而在傲騰逐步走向失敗的過程中，有五種新興存儲技術開始登上舞臺，包括MRAM、相變存儲器（ PCM）、鐵電RAM（FERAM）、電阻式存儲器RAM（ReRAM）和NRAM/UltraRAM，它們有望超越NAND和NOR的擴展限制，且功耗比DRAM和SRAM更低。

FRAM/FeRAM

1952年發明的FRAM是歷史最悠久的新興存儲器。時至今日，已經有超過40億顆FRAM芯片搭載於各類設備中。儘管名字里帶鐵，但FRAM 並沒有使用任何鐵，它只是具有一個類似於鐵磁性的磁滯回線，並且該磁滯回線允許它存儲數據。

FRAM的原理是利用某些晶格的獨特物理特性，在鐵電材料中，原子可以佔據晶格內兩個穩定位置之一，電場將晶格內的移動原子移動到兩個穩定位置之一，具體取決於電場的極性和一些物理屬性（可能是電容或電阻），同時取決於被捕獲原子的位置。

目前也有多家廠商還在生產FRAM，例如英飛凌主要生產分立FRAM芯片，而德州儀器和富士通則將該技術嵌入到MCU中，富士通還在地鐵車票里嵌入了FRAM芯片，主要原因是它的寫入能耗是存儲技術中相對最低的。

為什麼FRAM發明了這麼久，生產了數十億顆芯片后依舊不為人知，還被列入新興存儲技術呢？

原因是FRAM之前主要基於鋯鈦酸鉛（PZT）和鉭酸鍶鉍（SBT），但這兩種材料都包含鉛或鉍，會對晶圓廠造成污染，因而限制了它的產能。幸運的是，2011年人們發現氧化鉿（HfO）在某些條件下具有鐵電特性。HfO是FinFET中使用的高K柵極電介質的基礎，不僅解決了產能問題，而且不會造成污染，因而儘管HfO還沒有正式用來生產，但未來前景十分廣闊。

與閃存相比，FRAM的優勢包括功耗更低、寫入速度更快和最大讀/寫耐久性更高，FRAM在+85 °C 的數據保存時間超過10年（在較低温度下可長達數十年），但它也有自己的缺點，即存儲密度遠低於閃存設備，存儲容量有限，成本較高。截至2021年，不同供應商銷售的芯片的存儲大小（密度）不超過 16Mb。

目前，FRAM現在正在通過CMOS技術嵌入到芯片中，使MCU能夠擁有自己的FRAM存儲器，這比在MCU芯片中嵌入閃存所需的級數要少，從而大大降低了成本。

PCM

由於英特爾推出的傲騰內存，相變存儲器（PCM 或 PRAM）早已成為新興存儲器技術中收入遙遙領先的存在。事實上，早在1970年，英特爾的戈登-摩爾（Gordon Moore）與羅恩-尼爾（Ron Neale）以及D-L-尼爾森（D L Nelson）就共同撰寫過一篇關於256位PCM原型的文章，其研發歷史之悠久，並不遜色其他存儲技術。

PCM的起源要追溯到1960年，奧夫申斯基成立了能源轉換實驗室，研究非晶材料及其相變特性。該實驗室於1964年更名為能源轉換設備公司（ECD），奧夫申斯基的眾多創新成果之一就是以他本人命名的Ovonics相變存儲器。英特爾最終與ECD合作，獲得了Ovonics相變存儲器的知識產權許可，並於2015年正式發佈了3D XPoint PCM。

除去英特爾，意法半導體生產過帶有PCM程序存儲器的微控制器（MCU），而三星和美光這類存儲廠商也都在十多年前大規模生產了PCM NOR閃存替代產品，不過這部分產品的存在時間相當短。

PCM的基礎是一種沉積在標準CMOS邏輯芯片上方的瑀玻璃材料，這種材料會根據玻璃的特性改變其狀態，玻璃從結晶狀態和非晶狀態，分別對應導電或電阻狀態。其提高存儲容量的方式有兩種：一種是三維堆疊，是英特爾和美光專注的領域；還有一種是多值技術，IBM在該領域取得了突破性進展。

和閃存相比，PCM的優點非常多，如可嵌入功能強、優異的可反覆擦寫特性、穩定性好以及和CMOS工藝兼容等。事實上，到目前為止，還未發現PCM有明確的物理極限，在相變材料的厚度降至2nm時，器件仍然能夠發生相變。

PCM的最大優勢就是可以採用交叉點配置，在兩條正交導電線的交叉處存儲數據，這有利於堆疊，從而使芯片尺寸和生產成本低於除3D NAND以外的任何成熟技術。

但PCM也有不容忽視的缺點，發熱仍然是主要問題，雖然內存是熱穩定的並且可以處理高温應用，但對單元進行編程時產生的熱量可能影響其相鄰單元，局部加熱會導致電池上方出現空隙，此外，閃存每個單元存儲和檢測多個位的能力，使它目前仍然比PCM具有存儲容量優勢。

近幾年，人們對PCM在內存計算中的應用產生了濃厚的興趣。其想法是通過利用PCM的模擬存儲能力和基爾霍夫電路定律，在存儲器陣列本身中執行計算任務，例如矩陣向量乘法運算。2021年，IBM發佈了基於集成在14 nm CMOS技術節點的多級PCM的成熟內存計算核心。

MRAM

磁性RAM（MRAM）是一種基於所有磁性記錄（硬盤、磁帶等）物理原理的技術，但其應用方式去除了機械元素。截至目前，摩托羅拉和飛思卡爾的研究成果催生出的Everspin公司是該技術的領先者2021年該公司的營業收入為4400萬美元。

此外，Avalanche和Numem最近也加入了生產MRAM的行列，而臺積電、格芯和三星等代工廠都推出了嵌入式MRAM工藝，目前MRAM工藝已開始應用於物聯網應用和微功耗設備的SoC中。

MRAM的種類非常豐富，但它們的結構都非常相似，都使用鈷和鎂層作為巨磁阻（GMR）傳感器和磁開關元件的組合，它們也被大量用於硬盤讀/寫磁頭，其主要優勢在於速度，不少人設想過MRAM將來能夠取代高速SRAM。

經過多年研究，MRAM已經分為多種類型和路線：STT-MRAM有效地解決了SRAM存儲器在不活動時「泄漏」能量的問題；SOT-MRAM顯著提高了器件的耐用性和讀取穩定性，消除了STT-MRAM器件中固有的開關延迟；VCMA-MRAM進一步降低了STT-MRAM的功耗，但寫入速度相對較慢；VG-SOT則綜合了前兩者的優點，但製造工序較為複雜，功能有待驗證；（VG-）SOT MRAM在模擬內存計算方面具備更大潛力……

多年來，不同類型的MRAM存儲器件不斷涌現，在寫入速度、可靠性、功耗和麪積消耗之間進行權衡，根據具體特性有完全不同的應用，例如用於嵌入式閃存和末級緩存的STT-MRAM、用於較低級緩存的SOT-MRAM、用於超低功耗應用的VCMA-MRAM，最后是VG-MRAM，VG-SOT MRAM作為終極統一高速緩存，還具有內存計算的優勢。

在MRAM中，數據通常存儲在磁性可以改變的「自由」層中，並與生產時設置的「固定」層進行比較，GMR傳感器負責檢測兩者之間的差異。大多數MRAM變體的最大區別在於數據的寫入方式。所有MRAM的每個位單元都至少使用一個晶體管，而許多MRAM則使用兩個晶體管，且電流相當大，這也讓該技術的生產成本效益低於其他技術。

MRAM具有SRAM兼容的讀/寫周期，因此特別適合於那些必須以最小延迟存儲和檢索數據的應用程序，它成功把低延迟、低功耗、無限持久性、可伸縮性和非易變性結合到了一起。

作為一種磁性技術，MRAM本質上是抗輻射的，這使得它在航空航天應用中很受歡迎，而且這些應用對價格的敏感度也較低。此外，MRAM還在企業存儲中找到了一席之地，例如IBM的閃存核心模塊，其中Everspin的MRAM用作意外斷電時的緩衝區。

MRAM在工業應用中也有廣闊的前景，分析師表示，工業應用程序需要具有非常快的寫入能力，且需要非易失性存儲，但NAND閃存、NOR閃存和EEPROM的寫入速度都非常慢，並且消耗大量電力，而額外搭配電池的SRAM，每隔幾年就需要更換電池，對比之下MRAM在這些場景中就顯得如魚得水了。

汽車行業則是MRAM如此受歡迎的重要原因之一，由於對MCU的需求不斷增加，閃存的成本水漲船高，因而不少供應商開始從閃存轉向eMRAM。2022年，瑞薩電子宣佈推出STT-MRAM測試芯片，其表示，與採用FEOL製造的閃存相比，在22nm以下工藝中，採用BEOL製造的MRAM具有優勢，因為它與現有CMOS兼容邏輯工藝技術，並且對額外掩模層的需求更小。

IBM的態度更加樂觀。IBM傑出研究人員兼高級經理Daniel Worledge表示：「大約三年后，您將能夠指着街上的每輛新車並説該車內有eMRAM。」「先進節點中不再有嵌入式閃存，所有代工廠都已停止開發它，過渡期為22nm和28nm，具體取決於代工廠。」

ReRAM/RRAM

1971年，加利福尼亞大學伯克利分校的萊昂·蔡（Leon Chua）撰寫了一篇題為「憶阻器——缺失的電路元件」的理論論文。該論文描述了第四種基本無源電子器件——憶阻器，它可以根據先前流過該器件的電荷量來調節流過自身的電流。此時的憶阻器還只是一種理論，它是一種假想的器件，滿足了描述其他三種基本無源電子元件（電阻、電容和電感）行為的方程式對對稱性的需求。

而將近四十年后，也就是2008年，惠普實驗室宣佈已經成功用二氧化鈦製造出了憶阻器，且憶阻器是一種非二進制器件，可以用來存儲模擬或數字數據，當時有人預測DRAM即將消亡，憶阻器將以電阻存儲器或RRAM的形式取而代之，當時惠普表示，將在即將推出的月球計算機中採用RRAM。

但到了2015年，惠普又撤銷了這一決定，表示將在月球計算機中使用DRAM，而不是憶阻器，在惠普宣佈憶阻器生產成功的15年后，RRAM革命仍未發生，而且似乎也不會很快發生。

與MRAM一樣，電阻式RAM（ReRAM 或 RRAM）也有多種變體，它們都是通過在標準CMOS邏輯上沉積特殊材料來製造的。

ReRAM代工工藝主要由臺積電、華邦和格芯提供支持，瑞薩（通過收購 Adesto）、富士通、微芯和索尼將ReRAM作為獨立產品生產，新唐科技則將其用於微控制器中，目前全球也有許多公司正在開發ReRAM工藝。

ReRAM的技術原理是在電阻式 RAM 單元中，電流通過兩根導線來檢測位單元的電阻是高還是低，通常情況下，通過向正或負方向增加電壓來改變單元的狀態，從而增加或降低單元的電阻，通過將金屬離子或氧空位等導電元素移入電橋，或從現有電橋中移除這些元素來實現的。有一部分可能會認為，大多數其他新興存儲技術（PCM、MRAM 和 FRAM）都可以歸入ReRAM類別，因為它們也使用可變電阻來指示存儲器位的狀態。

ReRAM的關鍵特性與PCM一樣，它可以內置於用於堆疊的交叉點單元中，並且由於可以在單個位單元上存儲線性值，因此未來也有機會能夠用在神經網絡之中。

ReRAM的主要優點在於消耗電力較低，不需要像傳統存儲器件那樣消耗大量的能量來維持存儲狀態，部分RRAM材料還具備多種電阻狀態，使得單個存儲單元存儲多位數據成為可能，從而提高存儲密度，不過在隨機讀寫速度和耐久度上相對其他新興技術不具備優勢。

多年來，與ReRAM技術相關的專利申請數量在不斷增加，尤其是2010年以后，專利申請量顯着增加，目前三星擁有最多數量的相關專利，緊隨其后的是美光和SK海力士，主要存儲廠商都對於這項技術表示出了興趣。

NRAM/UltraRAM

NRAM是Nantero公司的專有計算機內存技術，它是一種基於沉積在芯片狀基板上的碳納米管位置的非易失性隨機存取存儲器，理論上，納米管的小尺寸可以實現非常高密度的存儲器。

Nantero公司花費了將近20年的時間來研究NRAM，它工作方式和其他存儲有所不同，其由碳納米管層所製作而成，碳納米管是由催化劑微粒（最常見的是鐵元）生長而來的。每個NRAM「單元」或晶體管由一個碳納米管網絡組成，其工作原理與其他非揮發性RAM技術相同。相互不接觸的碳納米管呈現高電阻狀態，代表「關閉」或「0」狀態；當碳納米管相互接觸時，它們呈現低電阻狀態，代表「開啟」或「1」狀態。

與NAND和DRAM相比，NRAM能耗更低，待機模式的功耗接近於零，寫入速度更快，且具有無限的擴展性。FRAM突破不了100納米，EEPROM一般為60多納米， NOR Flash為十幾納米，而NRAM可以推進至5納米，未來的擴展空間比較大。

NRAM相對於傳統閃存的另一大優勢是耐久度，可實現幾乎無限的讀寫循環。它們還具備耐熱、耐寒、抗電磁干擾和輻射的能力， Nantero表示，其在85攝氏度下可以保存數千年，並在300攝氏度下經過了10年的測試，也沒有丟失哪怕一比特的數據。

NRAM不但可以做數據儲存也可以做程序儲存，這一特性對消費類電子市場具備巨大吸引力。目前，針對獨立NRAM和嵌入式NRAM的產品開發項目正在進行中。正在尋求獨立NRAM的三個目的：用於DRAM替換，用於NAND閃存替換以及用於DRAM和NAND閃存都無法尋址的應用。在嵌入式存儲器領域，正在進行使用嵌入式NRAM代替嵌入式非易失性存儲器的工作，包括嵌入式閃存或嵌入式RAM（SRAM或DRAM）。

2016年富士通和USJC公佈，已經與Nantero企業達成共識，獲得NRAM技術授權，可以進行 NRAM的開發設計與生產製造，作為NRAM的第一代產品，富士通16Mbit的DDR3 SPI接口產品預計將於2021年前后上市。

總結

隨着AI、物聯網等領域的興起，使得大數據的應用越來越廣泛，而這部分新領域催生了對存儲的新需求，讀取速度快、存儲密度高、壽命長、電壓低、尺寸更小成爲了目前最為迫切的需求，但目前的幾種存儲已經力不從心。

這也為上述的五種存儲技術提供了新的機會，不論哪一種存儲技術，都有自己的獨到之處，具備對閃存的巨大優勢，其中MRAM由於類型豐富，應用前景廣闊，綜合優勢明顯，成爲了半導體分析師最為看好的一項技術。但這並非代表MRAM穩操勝券，隨着其他存儲技術的發展和應用，未必沒有取而代之的可能性。

參考來源

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

本文來自微信公眾號：半導體行業觀察 （ID：icbank），作者：邵逸琦