隨著許多新技術(shù)的涌現(xiàn)，下一代存儲器市場正在升溫，但將這些產(chǎn)品引入主流市場仍面臨著一些挑戰(zhàn)。

多年來，業(yè)界一直致力于各種存儲技術(shù)的研究，包括碳納米管RAM、FRAM、MRAM、相變存儲器，以及ReRAM。有些已經(jīng)出貨，有些尚在研發(fā)。每種存儲器類型都不同，并且針對特定的應(yīng)用，但它們都承諾取代當(dāng)今分級存儲器體系中的一種或多種傳統(tǒng)存儲器。

在分級存儲器體系的第一層中，SRAM集成到處理器中以支持快速數(shù)據(jù)訪問。DRAM是體系結(jié)構(gòu)中的下一層，用于主存儲器。磁盤驅(qū)動器和基于NAND的固態(tài)存儲驅(qū)動器（SSD）用于存儲。

圖1：分級存儲器體系——DRAM/SRAM和flash具有相反的特性，這些特性留下了由存儲類存儲器填充的空白。（來源：LamResearch）

今天的存儲器類型可以勝任各項工作，但它們正在掙扎地追趕系統(tǒng)中數(shù)據(jù)和帶寬需求的爆炸性增長。例如，DRAM速度快但耗電量大，而NAND和硬盤驅(qū)動器很便宜，但速度慢。

這正是下一代存儲器的用武之地。新的存儲器類型結(jié)合了SRAM的速度和flash的非易失性，具有無限的耐用性。這些技術(shù)擁有一些令人印象深刻的規(guī)格，但它們要么被推遲，要么未能實(shí)現(xiàn)承諾，亦或兩者兼而有之。

事實(shí)上，將許多新的存儲器類型投入大規(guī)模生產(chǎn)一直是一個難題。這些存儲器依賴于奇異的材料和轉(zhuǎn)換機(jī)制，使得它們難以在現(xiàn)場制造和工作，而且非常昂貴。

總之，新的存儲器仍然是利基產(chǎn)品，但在競技場上有一些明顯的進(jìn)步。例如，英特爾正在推出名為3DXPoint的下一代內(nèi)存。隨后，GlobalFoundries、三星、臺積電和聯(lián)華電子正在為嵌入式市場開發(fā)新的存儲器類型。ObjectiveAnalysis的分析師JimHandy表示：“真正重要的是，邏輯晶圓廠正在為嵌入式存儲器開發(fā)MRAM和電阻式RAM。對于獨(dú)立的存儲器市場而言，成本很高。這使得它只能吸引那些愿意出大價錢的人，因為他們無法在其他地方獲得他們想要的東西。”

因此，傳統(tǒng)存儲器仍然是系統(tǒng)中的主流產(chǎn)品，但新的存儲器類型提供了一些選擇。為了幫助讀者走在時代前列，SemiconductorEngineering對下一代存儲器的現(xiàn)狀進(jìn)行了研究。

3DXPoint的崛起

3DXPoint花了很長時間，但幾款下一代存儲器正在崛起。每一種新的存儲器都有一些有趣的特性，聲稱它們可以勝過傳統(tǒng)存儲器。

不過，至少目前而言，新存儲器不太可能取代DRAM、flash和SRAM。

這一切都?xì)w結(jié)于性能、密度和成本。例如，給定存儲器的單元大小等于特征（F）大小的平方乘以4，那么最小的單元尺寸是4F2。最新的3DNAND器件每個單元存儲4位（QLC），理論上可以轉(zhuǎn)換為1F2的單元大小。

“如果你想取代NAND，就必須比1F2便宜。據(jù)我所知，我們在有生之年不會看到這種情況。”Nantero公司碳納米管RAM資深開發(fā)人員和董事會成員EdDoller表示。

為了取代DRAM，新的存儲器類型必須更便宜，而且它周圍必須有完整的基礎(chǔ)構(gòu)造，例如DRAM兼容接口和控制器。

因此，如果新的存儲器類型無法取代傳統(tǒng)技術(shù)，那么它們會適用在哪里呢？LamResearch高級技術(shù)總監(jiān)AlexYoon在一篇博客中表示：“云計算和最新的移動產(chǎn)品等應(yīng)用正在推動對一種新的存儲器類別的需求，它將DRAM的速度與NAND更高的比特密度和更低的成本結(jié)合起來。為了達(dá)到這些標(biāo)準(zhǔn)，一些新技術(shù)正在探索中。一些公司瞄準(zhǔn)的是嵌入式應(yīng)用，如片上系統(tǒng)（SoC），而另一些公司則專注于存儲級別的存儲器領(lǐng)域。”

目前，新的存儲器類型已經(jīng)在分級存儲器體系中開辟出了今天的存儲器無法滿足的利基。有些甚至?xí)屪逥RAM和flash的少量份額。但目前尚不清楚新的存儲器類型是否會成為主流技術(shù)。

目前還沒有一種新的存儲器技術(shù)能夠滿足所有的需求，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(shù)。ReRAM供應(yīng)商Crossbar營銷和業(yè)務(wù)開發(fā)副總裁SylvainDubois表示：“它們都有自己的位置。在某些情況下，它們是半競爭的，有一些重疊。但很明顯，我們都有不同的定位。”

圖2：分級存儲器體系。（來源：Imec）

不過，有一項技術(shù)正在取得進(jìn)展。市場的巨大變化是最近由英特爾和美光開發(fā)的下一代技術(shù)3DXPoint的崛起。

當(dāng)3DXPoint于2015年正式推出時，該技術(shù)被吹捧為介于DRAM和NAND之間的存儲類存儲器，它會比NAND快1000倍，耐用性高1000倍。

但實(shí)際上，3DXPoint已被推遲，并且未能達(dá)到這些規(guī)格。咨詢公司MKWVentures的負(fù)責(zé)人MarkWebb表示：“我們知道，在現(xiàn)實(shí)中，很多事情都被過度炒作了。現(xiàn)實(shí)是不同的，但仍然相當(dāng)驚人。3DXPoint的收入將超過其他所有新的非易失性存儲器。”

事實(shí)上，在幾經(jīng)推遲之后，英特爾正在升級基于3DXPoint的SSD和其他產(chǎn)品。最終，英特爾將在DIMM中將該技術(shù)用于服務(wù)器。Webb說：“使用3DXPoint，英特爾會擁有最耐用且最快的SSD。DIMM被推遲了。”

MKW預(yù)計，3DXPoint的銷售額將從不久前的0增長到2018年的7.5億美元。MKW的數(shù)據(jù)顯示，到2020年，3DXPoint的收入預(yù)計將達(dá)到15億美元。

相比之下，根據(jù)CoughlinAssociates和ObjectiveAnalysis的報告，MRAM在2017年的營業(yè)額為3600萬美元。其他存儲器類型幾乎沒有出現(xiàn)。

與DRAM和NAND相比，新的存儲器顯得很蒼白。據(jù)ICInsights預(yù)計，DRAM市場在2018年有望達(dá)到1016億美元，NAND將達(dá)到4280億美元。

與此同時，3DXPoint基于一種稱為相變存儲器（PCM）的技術(shù)。PCM以非晶相和結(jié)晶相存儲信息。它可以通過外部電壓進(jìn)行可逆切換。

3DXPoint器件基于雙層堆疊架構(gòu)，采用20nm幾何尺寸，具有128GB的密度。根據(jù)MKW的數(shù)據(jù)，讀取延遲大約為125ns，耐用性為200K次擦寫。

圖3：3DXPoint架構(gòu)（來源：維基百科）

這項技術(shù)存儲速度很快，但并不是NAND的1000倍。Webb說：“它的成本也遠(yuǎn)高于NAND，它不是DRAM的替代品，而是DRAM的補(bǔ)充。”

3DXPoint的下一步是什么？重大機(jī)遇在DIMM領(lǐng)域。當(dāng)DIMM最終來自英特爾時，它將集成3DXPoint和DRAM。Webb說：“英特爾可以充分利用3DXPoint的性能特點(diǎn)來優(yōu)化處理器和架構(gòu)。”

不過，這項技術(shù)的未來仍不確定。英特爾和美光正在分別開發(fā)3DNAND和3DXPoint。如前所述，兩家公司將完成兩個類別的現(xiàn)有產(chǎn)品，然后各自追求這些技術(shù)。

目前還不清楚美光是否會推出3DXPoint器件。到目前為止，美光尚未發(fā)布3DXPoint產(chǎn)品，因為該技術(shù)似乎會與它的DRAM和NAND產(chǎn)品競爭。

顯然，英特爾有資源獨(dú)自走3DXPoint路線。但問題是英特爾能否用這項技術(shù)收回其龐大的研發(fā)投資。

MRAMvsReRAM

與此同時，業(yè)界也在開發(fā)其他新的存儲器類型，例如MRAM和ReRAM。與3DXPoint一樣，MRAM和ReRAM可以作為獨(dú)立器件生產(chǎn)和銷售。

3DXPoint不作為嵌入式存儲器出售。相比之下，MRAM和ReRAM也可用于嵌入式存儲器市場。

對于MRAM，業(yè)界正在開發(fā)一種下一代技術(shù)，自旋傳遞轉(zhuǎn)矩MRAM（STT-MRAM）。STT-MRAM利用電子自旋的磁性為芯片提供非易失性。它結(jié)合了SRAM的速度和flash的非易失性，具有無限的耐用性。

圖4：STT-MRAM存儲單元。（來源：MRAM-Info）

傳統(tǒng)存儲器中，數(shù)據(jù)以電荷的形式存儲。相比之下，MRAM使用磁隧道結(jié)（MTJ）作為存儲單元。

MTJ由內(nèi)存堆疊組成，可以為給定的應(yīng)用重新配置。但是在調(diào)整MTJ堆疊時，在耐久性、數(shù)據(jù)保持和寫入脈沖寬度方面存在一些折衷。Everspin公司工程副總裁TomAndre表示：“在MTJ堆疊的設(shè)計中，存在固有的權(quán)衡取舍。例如，你可以通過放棄數(shù)據(jù)保持來優(yōu)化堆疊的耐用性，反之亦然。”

Andre說：“這允許你以不同的方式處理不同的應(yīng)用。例如，如果你正在做嵌入式MRAM，并且你正在嘗試構(gòu)建用于代碼存儲的嵌入式NVM，那么提高數(shù)據(jù)保持能力、放棄耐久性非常適合這個應(yīng)用。對于我們Everspin公司的獨(dú)立部分而言，權(quán)衡的結(jié)果是相反的。我們致力于為這些循環(huán)寫緩沖區(qū)類型的解決方案提供耐久性更強(qiáng)的應(yīng)用。”

STT-MRAM還有別的優(yōu)點(diǎn)，也有一些缺點(diǎn)。MKW公司的Webb說：“MRAM在速度上很好，但在成本和密度上無法競爭。此外，STT-MRAM比之前認(rèn)為的更難以制造，因此限制了該技術(shù)在市場上的出貨量。”

迄今為止，Everspin是唯一一家出貨基于STT-MRAM的獨(dú)立部件的公司。Everspin正在推出基于40nm的256MB器件，基于28nm的1GB器件也在開發(fā)中。Avalanche、Crocus、三星、東芝、SK海力士、SpinTransfer等公司也在研發(fā)STT-MRAM，但尚未投入生產(chǎn)。

AppliedMaterials公司工藝開發(fā)總經(jīng)理MahendraPakala表示：“當(dāng)我比較磁性與半導(dǎo)體工藝時，我會說學(xué)習(xí)曲線非常大。學(xué)習(xí)曲線需要時間。這是最大的問題。對于嵌入式市場，則有足夠的臨界質(zhì)量。我會進(jìn)一步對此進(jìn)行論述。”

實(shí)際上，嵌入式MRAM的發(fā)展勢頭正在增強(qiáng)。GlobalFoundries、三星、臺積電和聯(lián)華電子正在為28nm/22nm的代工客戶開發(fā)嵌入式MRAM。

在嵌入式市場中，行業(yè)普遍使用微控制器MCU。MCU在同一芯片上集成了多個組件，例如CPU、SRAM、嵌入式存儲器和外設(shè)。嵌入式存儲器（如NORflash）用于代碼存儲。

基于40nm及以上的嵌入式NORflash的MCU正在出貨。現(xiàn)在，業(yè)界正在提升28nmMCU產(chǎn)量，16nm/14nmMCU正在研發(fā)中。

問題是，在28nm及更大范圍內(nèi)擴(kuò)展嵌入式flash（有時稱為eFlash）是很困難的。聯(lián)華電子產(chǎn)品營銷總監(jiān)DavidHideoUriu表示：“許多人認(rèn)為28nm/22nm將是eFlash的終結(jié)，不是因為微縮的限制，而是因為經(jīng)濟(jì)障礙。你能將嵌入式flash微縮到28nm以及更先進(jìn)嗎？答案是肯定的，因為我們將在22nm節(jié)點(diǎn)支持它。但是宏觀設(shè)計本質(zhì)上和我們的28nm是一樣的。”

DavidHideoUriu表示：“超越28nm/22nm之后，eFlash在前端工藝流程中需要超過15個掩模加法器。額外的掩模加法器制造了經(jīng)濟(jì)障礙，挑戰(zhàn)了代工行業(yè)，無論是尋求替代非易失性存儲器，還是繼續(xù)投資額外的資源以推動現(xiàn)有eFlash技術(shù)邊界。”

因此，嵌入式MRAM正在被開發(fā)，以取代28nm及以上的嵌入式NORflash。GlobalFoundries公司前沿CMOS副總裁MikeMendicino說：“嵌入式MRAM功耗低，寫入快，嵌入式NORflash要慢得多。”

例如，低功耗單片機(jī)可能需要快速喚醒和安全功能。Mendicino說：“MRAM可以取代傳統(tǒng)的嵌入式flash，也可以替代一些SRAM。”

對于高速緩存，SRAM占據(jù)了芯片的很大一部分。嵌入式MRAM還可以承擔(dān)一些基于SRAM的緩存功能，從而節(jié)省空間和成本。Mendicino說：“MRAM本身可以在這些器件上節(jié)省電能。但如果你把一個真正優(yōu)秀的MRAM放到一個平庸的平臺上，那就毫無價值。”

然而，嵌入式MRAM仍然存在一些挑戰(zhàn)，即把技術(shù)集成到設(shè)計中的能力。成本是另一個因素。聯(lián)華電子的DavidHideoUriu表示：“客戶希望新興的嵌入式非易失性存儲器的成本與eFlash一樣具有成本效益。這種期望給代工行業(yè)帶來了另一項挑戰(zhàn)，并且難以實(shí)現(xiàn)，但解決方案應(yīng)該能夠利用當(dāng)前的成本點(diǎn)保持當(dāng)前的價格競爭水平。”

同時，電阻式RAM（ReRAM）也在不斷發(fā)展，但尚未達(dá)到3DXPoint和MRAM的水平。通常，ReRAM有兩種類型——氧空缺ReRAM和CBRAM。

在這兩種情況下，開關(guān)介質(zhì)位于頂部和底部電極之間。當(dāng)在頂部電極上施加正電壓時，在兩個電極之間形成導(dǎo)電細(xì)絲。導(dǎo)電細(xì)絲由離子原子組成。當(dāng)在底部電極上施加負(fù)壓時，導(dǎo)電細(xì)絲就會斷裂。

圖5：ReRAM工作原理（來源：Adesto）

ReRAM涉及一個復(fù)雜的過程。AppliedMaterials公司的Pakala表示：“了解它，以及如何控制它仍然是一項困難的挑戰(zhàn)。”

MRAM和ReRAM都具有類似的讀取和數(shù)據(jù)保持規(guī)格。但與ReRAM相比，MRAM具有更高的溫度規(guī)格，這使MRAM在汽車等應(yīng)用領(lǐng)域具有優(yōu)勢。聯(lián)華電子的Uriu表示：“簡而言之，MRAM可用于大多數(shù)汽車應(yīng)用，但ReRAM只能用于今天的消費(fèi)類應(yīng)用。”

圖6：MRAM與ReRAM（來源：聯(lián)華電子）

到目前為止，Adesto和Panasonic是僅有的兩家出貨獨(dú)立ReRAM的公司。盡管Crossbar專注于IP授權(quán)模式，但該公司也在開發(fā)獨(dú)立器件。在嵌入式領(lǐng)域，Crossbar正與Microsemi合作。Crossbar公司的Dubois表示：“Microsemi正致力于將嵌入式ReRAM集成到先進(jìn)的SoC或FPGA中，它將是14nm或12nm。這意味著ReRAM可以微縮。有一家代工廠正在與我們合作，他們的大規(guī)模生產(chǎn)線正在制造12nmReRAM”

其他公司也在開發(fā)ReRAM項目。Dubois說：“現(xiàn)在每個人都在關(guān)注ReRAM。如果你的應(yīng)用是讀取密集型，ReRAM要好得多。”

對于嵌入式ReRAM，主要應(yīng)用程序包括AI/機(jī)器學(xué)習(xí)、計算、家庭自動化、工業(yè)和安全。

其他競爭者

鐵電RAM（FRAM）是另一種值得關(guān)注的技術(shù)。它使用鐵電電容存儲數(shù)據(jù)，F(xiàn)RAM是非易失性存儲器，具有無限的耐久性。

傳統(tǒng)的FRAM在微縮方面受到限制。為了解決這些問題，初創(chuàng)公司FerroelectricMemory（FMC）正在開發(fā)下一代FRAM，稱為鐵電FET（FeFET）。

仍在研發(fā)階段的FeFET并不是新器件。FeFET利用現(xiàn)有的基于氧化鉿的高k/金屬柵極堆疊的邏輯晶體管。然后用鐵電性質(zhì)對柵極絕緣體進(jìn)行改性。

FMC首席執(zhí)行官StefanMüller表示：“我們所做的主要是一種基于晶體管的技術(shù)，基于晶體管的鐵電存儲器。我們正在推進(jìn)嵌入式領(lǐng)域的發(fā)展。這將成為消費(fèi)者市場中的一部分。”

同時，在研發(fā)方面，Nantero公司正在研發(fā)碳納米管RAM。對于嵌入式應(yīng)用，富士通有望提供基于Nantero技術(shù)的首批碳納米管RAM。

Nantero公司的Doller表示：“我們的策略是為邏輯器件做嵌入式內(nèi)存。與此同時，我們正在研發(fā)的是一款與DRAM兼容的高容量器件。它將與DRAM競爭。”

因此，下一代存儲器正在取得進(jìn)展，它們?yōu)镺EM廠商提供了充足的選擇。但它們要成為主流器件，則還有很長的路要走。由于DRAM和flash的發(fā)展?jié)L滾向前，它們也可能永遠(yuǎn)不會成為主流。