下一代存儲器強勢崛起

隨著許多新技術的湧現，下一代存儲器市場正在升溫，但將這些產品引入主流市場仍面臨一些挑戰。

多年來，該行業一直致力於各種存儲技術的研究，包括碳納米管RAM、FRAM、MRAM、相變存儲器和ReRAM。有些已推出，有些仍在研發中。這些不同類型的存儲器都對應特定的應用領域，但都勢必將在存儲器家族中取代一個或者多個傳統型存儲。

在這個層次結構的第一層中，SRAM集成到處理器中以支持快速數據訪問。層次結構中的下一層DRAM用於主存儲器。磁碟驅動器和基於NAND的固態硬碟(SSD)則用於信息存儲。（如下圖）

圖1：存儲器層次結構-dram/SRAM和Flash具有相反的特性，這些特性令存儲類存儲器能填補空白

當前的存儲器能夠正常運作，但是它們正在努力跟上系統中數據和帶寬需求的激增。例如，DRAM速度快但耗電量大，而NAND和硬碟驅動器既便宜但運行速度較慢。

這彰顯了下一代存儲器的用武之地。新型存儲器結合了SRAM的速度和Flash的非易失性和良好的耐久性。這些技術擁有出色的規格，但它們要麼遲遲未出現，要麼效能不盡人意。

事實上，將許多新型存儲器投入大規模生產一直是一個難題。它們依賴新型材料和轉換機制，也難以製造或者運行，同時價格也非常昂貴。

總而言之，新型存儲器仍然是利基產品，但是有很明顯的進展。例如，英特爾正在持續推進名為3D XPoint的下一代存儲器。緊接著，GlobalFoundries、三星(Samsung)、台積電(TSMC)和聯華電子(UMC)正在為嵌入式市場開發新的存儲器類型。有分析認為，「真正重要的是，邏輯晶圓廠正在為嵌入式存儲器開發MRAM和resistance RAM。對於獨立的存儲器市場來說，成本很高。只有願意投入巨大成本的人才會考慮。」

因此，傳統存儲器仍然是市場上的主流產品，但新型存儲器也為我們提供了一些選擇。

3D XPoint的興起

3D XPoint的興起已經持續一段時間，下一代存儲器還在升級。每一種新型存儲器都會被宣稱它們性能比傳統存儲器更優越。

不過，至少目前來說，新的存儲器不可能取代DRAM、Flash和SRAM。

這一切都歸結於性能、容量與成本。舉個例子，指定存儲器的單元格大小等於特特徵尺寸（F）乘以4的平方。最小的單元格大小是4F2。最新的3D NAND包含每個單元儲存4個數據（QLC），理論上可以轉換為1F2的單元大小。

但是，「如果它想取代NAND，就必須比1F2更便宜。據我所知，我們在有生之年不會看到這種情況。」身為存儲器專家的Nantero公司董事會成員Ed Doller如是說道。

同理，若要取代DRAM，新的存儲器類型必須更便宜，而且必須在它周圍有一個完整的基礎設施，比如DRAM兼容的介面和控制器。

那如果新的存儲器類型不會取代傳統的技術，那麼它們適合應用在哪些地方？Lam Research高級技術總監Alex Yoon曾在一篇博客中寫道，「雲計算和最新的移動產品等應用正在推動對新型存儲器的需求，這些新型存儲器將DRAM的速度與NAND更高的比特密度以及更低的成本結合起來。」為了達到這些標準，科研人員正在探索一些新技術。有些公司瞄準的是嵌入式應用，比如系統級晶元(system-on-chips,SoCs)，而另一些公司則專註於存儲類存儲器空間。

目前，新型存儲器已經開拓了現在的存儲器無法滿足的利基市場，甚至還從DRAM和Flash那裡搶佔了一些市場，但目前還不清楚這種新型存儲器是否會成為主流技術。

目前為止，依然沒有一種能夠滿足所有需求的新型存儲技術。因此，隨著時間的推移，客戶可能會使用一種或多種存儲器技術。「它們是競爭關係，功能存在重疊，但是它們在市場上都有屬於各自的一席之地。」ReRAM供應商Crossbar的營銷和業務開發副總裁Sylvain Dubois表達了他的觀點。

圖片2：存儲器層次結構（來源：Imec）

但值得一提的是，有一項技術正在進展中。市場的一個重大變化是3D XPoint的崛起，這是英特爾(Intel)和美光(Micron)開發的下一代技術。

當3D XPoint在2015年正式推出時，它被稱為是一種介於DRAM和NAND之間的存儲技術。它的速度和耐久性都是NAND的1000倍。

然而，實際上3D XPoint的推出被延遲了，並且沒有達到那些標準。不過，分析認為，「3D XPoint可能被過度炒作了。但3D XPoint仍然是相當驚人的，其盈利將超過所有其他非易失性存儲器的總和。」

事實上，在幾次延遲之後，英特爾正在升級基於3D XPoint的SSD和其他產品。最終，英特爾將把這項技術用於伺服器里的DIMM。基於3D XPoint，英特爾將擁有速度最快、耐久性最高的SSD。

有數據顯示，到2020年，3D XPoint的收入預計將達到15億美元。相比之下，MRAM在2017年的銷售額為3600萬美元。其他新型存儲器的營收則少到不容易被注意。但相比DRAM和NAND，新型存儲器的營收仍然顯得蒼白無力。

與此同時，3D XPoint是基於一種叫做相變存儲器(PCM)的技術。PCM以非晶相和晶體相存儲信息。它可以通過外部電壓進行可逆切換。

基於雙層堆疊結構，3D XPoint採用20nm幾何尺寸，具有128千兆位的密度。根據相關數據，其讀取延遲大約為125ns，持續時間為200K。

圖片3：3D XPoint架構（來源：維基百科）

這項技術速度很快，但並沒有達到NAND的1000倍。它的成本也比NAND高得多，這不是DRAM的替代品，它在某些程度上為DRAM提供了補充。

3D XPoint的下一步是什麼？最大的機遇在於DIMM的空間。英特爾的DIMMs由將會集成3D XPoint和DRAM，並利用3D XPoint的性能特點來優化處理器和架構。

不過，這項技術的未來仍不確定。英特爾和美光正在分別開發3D NAND和3D XPoint。正如之前宣布的，兩家公司將完成目前兩類產品的開發，然後獨立開發這些技術。目前還不清楚美光是否會推出3D XPoint產品。迄今為止，美光還沒有推出3D XPoint產品，因為這項技術似乎與其DRAM和NAND產品存在競爭。

顯然，英特爾有資源獨自開發3D XPoint。但問題是，英特爾是否會利用這項技術收回其大規模的研發投資。

與此同時，這行業還在開發其他新的存儲器，如MRAM和ReRAM。與3D XPoint一樣，MRAM和ReRAM可以作為獨立產品進行生產和銷售。

3D XPoint不是作為嵌入式存儲器出售的。相比之下，MRAM和ReRAM可以用於嵌入式存儲市場。

對於MRAM，該行業正在開發下一代技術，稱為自旋傳遞轉矩MRAM(STT-MRAM)。STT-MRAM利用電子自旋的磁性為晶元提供非揮發性特性。它結合了SRAM的速度和Flash的非波動性，具有無限的持久性。

圖片4：STT-MRAM存儲單元（來源：MRAM-Info）

在傳統存儲器中，數據以電荷的形式存儲。相比之下，MRAM使用一個磁隧道結(MTJ)存儲單元作為存儲單元。

MTJ由一個存儲器堆棧組成，它可以為給定的應用程序重新配置。但在調優MTJ堆棧時，在持久度、數據保留和寫入脈衝寬度方面存在一些權衡。在MTJ堆棧的設計中，存在固有的權衡。例如，你可以通過放棄數據保留來優化棧的耐久性，反之亦然。

這允許人們以不同的方式處理不同的應用。例如，如果你正在執行嵌入式MRAM，並且正在嘗試構建一個用於代碼存儲的嵌入式NVM，那麼提高數據保留和放棄持久性的能力則非常適合這個應用。

迄今為止，Everspin是唯一一家基於STT-MRAM的獨立部件的公司。Everspin已經推出一款基於40nm製程的256兆比特器件，目前正在研製一款28nm製程的1gb器件。Avalanche、Crocus、三星、東芝、SK Hynix、Spin Transfer等公司仍在研發STT-MRAM，但尚未投產。

嵌入式MRAM的發展勢頭正在增強。GlobalFoundries、三星(Samsung)、台積電(TSMC)和聯華電子(UMC)正在為代工客戶開發28nm/22nm的嵌入式MRAM。

在嵌入式市場中，行業使用微控制器(MCUs)。MCUs在同一晶元上集成了多個組件，如CPU、SRAM、嵌入式存儲器和外設。嵌入式存儲器(如NOR Flash)用於代碼存儲。

基於40nm及以上的嵌入式或Nor Flash的MCU處於出貨階段。目前，該行業正在研發28nm製程的MCU，16nm/14nm製程晶元。

問題是，在28nm及更大範圍內擴展嵌入式Flash是很困難的。UMC產品營銷總監David Hideo Uriu說道，「許多人認為28nm/22nm製程將是eFlash的終結，不是因為可擴展性的限制，而是因為經濟障礙。」「你能將嵌入式Flash擴展到28nm以上嗎？」答案是肯定的，因為我們將在22nm節點支持它。但是宏觀設計的本質上和28nm是一樣的。

「一旦超過28nm/22nm，eFlash將需要多於15個掩模加法器在前端線的進程。額外的掩模加法器製造了成本障礙，為鑄造行業帶來挑戰，無論是尋求替代非易失性存儲器，還是繼續投資額外的資源以推動現有eFlash技術的邊界，」UMC產品營銷總監David Hideo Uriu補充道。

因此，功耗低、讀寫速度快的嵌入式MRAM正在開發進程中，將會取代28nm及以上的嵌入式NOR Flash。這是GlobalFoundries前沿CMOS副總裁Mike Mendicino的看法。

例如，低功耗單片機可能需要快速喚醒和安全功能。Mendicino認為，「MRAM可以取代傳統的嵌入式Flash，也可以替代一些SRAM。」

對於高速緩存，SRAM佔據了晶元很大一部分。嵌入式MRAM還可以承擔一些基於SRAM的緩存功能，從而節省空間和成本。MRAM本身可以在這些設備上節省電能。「但如果人們把一個性能出色的MRAM放到一個平庸的平台上，那是難以實現的。」Mendicino如是說道。

然而，嵌入式MRAM仍然存在一些挑戰，即是在設計中的集成技術能力。成本也是另一個重要因素。「客戶希望新興的嵌入式非易失性存儲器與eFlash一樣具有成本效益。這一預期給整個行業帶來挑戰，但這將是很難實現的，但解決方案應該能夠以現在的成本點來維持當前的價格競爭力。」UMC的Uriu說。

與此同時，ReRAM也取得進展，但尚未達到3D XPoint和MRAM的水平。一般來說，ream有兩種類型——氧空位ream和CBRAM。

在這兩種情況下，開關介質位於頂部和底部電極之間。當正電壓作用於電極上時，在兩個電極之間形成導電絲。燈絲由離子原子組成。當在底部電極上施加負壓時，導電絲就斷裂了。

圖片5：ReRAM運作過程（來源：Adesto）

ReRAM涉及一個複雜的過程。MRAM和ReRAM都有類似的讀取和數據保留規格。但與ReRAM相比，MRAM具有更高的溫度規格，這令MRAM在汽車等應用領域更具優勢。UMC的Uriu表示:「簡單來說，MRAM可以更多地運用於汽車，但ReRAM目前只適用於消費級應用。

圖片6：MRAM vs.ReRAM（來源：UMC）

到目前為止，Adesto和Panasonic是唯一推出獨立運行的ReRAM的兩家公司。Crossbar也在開發獨立設備，不過這家公司專註於IP授權模式。嵌入式方面，Crossbar與Microsemi公司合作。Microsemi正在努力將嵌入式ReRAM集成到高級SoC或FPGA中，製程是在14nm或12nm之間。

除此之外，其他公司也在開發ReRAM項目。嵌入式ReRAM主要應用於AI/機器學習、計算、家庭自動化、工業和安全。

其他新型存儲器

FRAM是另一種值得關注的技術。使用鐵電電容器存儲數據，FRAM是非易失性存儲器，具有無限的耐久性。

傳統的FRAMs的擴展性是有限的。為了解決這些問題，創業公司Ferroelectric Memory(FMC)正在開發下一代FRAM，稱為鐵電場效應晶體管(FeFET)。

仍在研發階段的FeFET並不是一種新設備。FeFET利用現有的基於氧化鉿的金屬閘極堆疊邏輯晶體管。然後對閘級絕緣子進行鐵電性質的改性。

FMC的CEO Stefan Muller表示:「我們所做的是一種基於晶體管的鐵電存儲器。我們正在推進嵌入式領域的發展。」

同時，在研發方面，Nantero正在研發碳納米管。對於嵌入式應用，富士通預計將提供第一款基於Nantero技術的納米碳管RAM。

這個策略是為邏輯電路做嵌入式存儲器。富士通將在2019年擴大這一規模。來自Nantero的Doller說道，「與此同時，我們正在研發的是一款與DRAM兼容的高容量設備。這將與DRAM展開競爭。」

因此，下一代存儲器正在不斷推進，為OEM廠商提供了大量的選擇。但要成為主流設備，對於它們來說，還有很長一段路要走。（編譯：Iris）

原文網址：

https://semiengineering.com/next-gen-memory-ramping-up/

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