隨著許多新技術的涌現，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著一些挑戰。

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

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據訪問。DRAM是體系結構中的下一層，用于主存儲器。磁盤驅動器和基于NAND的固態存儲驅動器（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中數據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。這些技術擁有一些令人印象深刻的規格，但它們要么被推遲，要么未能實現承諾，亦或兩者兼而有之。

事實上，將許多新的存儲器類型投入大規模生產一直是一個難題。這些存儲器依賴于奇異的材料和轉換機制，使得它們難以在現場制造和工作，而且非常昂貴。

總之，新的存儲器仍然是利基產品，但在競技場上有一些明顯的進步。例如，英特爾正在推出名為3DXPoint的下一代內存。隨后，GlobalFoundries、三星、臺積電和聯華電子正在為嵌入式市場開發新的存儲器類型。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MRAM和電阻式RAM。對于獨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，傳統存儲器仍然是系統中的主流產品，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狀進行了研究。

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。

這一切都歸結于性能、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），理論上可以轉換為1F2的單元大小。

“如果你想取代NAND，就必須比1F2便宜。據我所知，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構造，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技術，那么它們會適用在哪里呢？LamResearch高級技術總監AlexYoon在一篇博客中表示：“云計算和最新的移動產品等應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合起來。為了達到這些標準，一些新技術正在探索中。一些公司瞄準的是嵌入式應用，如片上系統（SoC），而另一些公司則專注于存儲級別的存儲器領域。”

目前，新的存儲器類型已經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。有些甚至會搶走DRAM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。

目前還沒有一種新的存儲器技術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。ReRAM供應商Crossbar營銷和業務開發副總裁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，有一項技術正在取得進展。市場的巨大變化是最近由英特爾和美光開發的下一代技術3DXPoint的崛起。

當3DXPoint于2015年正式推出時，該技術被吹捧為介于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。

但實際上，3DXPoint已被推遲，并且未能達到這些規格。咨詢公司MKWVentures的負責人MarkWebb表示：“我們知道，在現實中，很多事情都被過度炒作了。現實是不同的，但仍然相當驚人。3DXPoint的收入將超過其他所有新的非易失性存儲器。”

事實上，在幾經推遲之后，英特爾正在升級基于3DXPoint的SSD和其他產品。最終，英特爾將在DIMM中將該技術用于服務器。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的數據顯示，到2020年，3DXPoint的收入預計將達到15億美元。

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

與DRAM和NAND相比，新的存儲器顯得很蒼白。據ICInsights預計，DRAM市場在2018年有望達到1016億美元，NAND將達到4280億美元。

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

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

圖3：3DXPoint架構（來源：維基百科）

這項技術存儲速度很快，但并不是NAND的1000倍。Webb說：“它的成本也遠高于NAND，它不是DRAM的替代品，而是DRAM的補充。”

3DXPoint的下一步是什么？重大機遇在DIMM領域。當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3DNAND和3DXPoint。如前所述，兩家公司將完成兩個類別的現有產品，然后各自追求這些技術。

目前還不清楚美光是否會推出3DXPoint器件。到目前為止，美光尚未發布3DXPoint產品，因為該技術似乎會與它的DRAM和NAND產品競爭。

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

MRAMvsReRAM

與此同時，業界也在開發其他新的存儲器類型，例如MRAM和ReRAM。與3DXPoint一樣，MRAM和ReRAM可以作為獨立器件生產和銷售。

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，業界正在開發一種下一代技術，自旋傳遞轉矩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）

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

MTJ由內存堆疊組成，可以為給定的應用重新配置。但是在調整MTJ堆疊時，在耐久性、數據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堆疊的設計中，存在固有的權衡取舍。例如，你可以通過放棄數據保持來優化堆疊的耐用性，反之亦然。”

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

STT-MRAM還有別的優點，也有一些缺點。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比之前認為的更難以制造，因此限制了該技術在市場上的出貨量。”

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器件也在開發中。Avalanche、Crocus、三星、東芝、SK海力士、SpinTransfer等公司也在研發STT-MRAM，但尚未投入生產。

AppliedMaterials公司工藝開發總經理MahendraPakala表示：“當我比較磁性與半導體工藝時，我會說學習曲線非常大。學習曲線需要時間。這是最大的問題。對于嵌入式市場，則有足夠的臨界質量。我會進一步對此進行論述。”

實際上，嵌入式MRAM的發展勢頭正在增強。GlobalFoundries、三星、臺積電和聯華電子正在為28nm/22nm的代工客戶開發嵌入式MRAM。

在嵌入式市場中，行業普遍使用微控制器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。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。現在，業界正在提升28nmMCU產量，16nm/14nmMCU正在研發中。

問題是，在28nm及更大范圍內擴展嵌入式flash（有時稱為eFlash）是很困難的。聯華電子產品營銷總監DavidHideoUriu表示：“許多人認為28nm/22nm將是eFlash的終結，不是因為微縮的限制，而是因為經濟障礙。你能將嵌入式flash微縮到28nm以及更先進嗎？答案是肯定的，因為我們將在22nm節點支持它。但是宏觀設計本質上和我們的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濟障礙，挑戰了代工行業，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技術邊界。”

因此，嵌入式MRAM正在被開發，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，低功耗單片機可能需要快速喚醒和安全功能。Mendicino說：“MRAM可以取代傳統的嵌入式flash，也可以替代一些SRAM。”

對于高速緩存，SRAM占據了芯片的很大一部分。嵌入式MRAM還可以承擔一些基于SRAM的緩存功能，從而節省空間和成本。Mendicino說：“MRAM本身可以在這些器件上節省電能。但如果你把一個真正優秀的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，即把技術集成到設計中的能力。成本是另一個因素。聯華電子的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帶來了另一項挑戰，并且難以實現，但解決方案應該能夠利用當前的成本點保持當前的價格競爭水平。”

同時，電阻式RAM（ReRAM）也在不斷發展，但尚未達到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，開關介質位于頂部和底部電極之間。當在頂部電極上施加正電壓時，在兩個電極之間形成導電細絲。導電細絲由離子原子組成。當在底部電極上施加負壓時，導電細絲就會斷裂。

圖5：ReRAM工作原理（來源：Adesto）

ReRAM涉及一個復雜的過程。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。”

MRAM和ReRAM都具有類似的讀取和數據保持規格。但與ReRAM相比，MRAM具有更高的溫度規格，這使MRAM在汽車等應用領域具有優勢。聯華電子的Uriu表示：“簡而言之，MRAM可用于大多數汽車應用，但ReRAM只能用于今天的消費類應用。”

圖6：MRAM與ReRAM（來源：聯華電子）

到目前為止，Adesto和Panasonic是僅有的兩家出貨獨立ReRAM的公司。盡管Crossbar專注于IP授權模式，但該公司也在開發獨立器件。在嵌入式領域，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，他們的大規模生產線正在制造12nmReRAM”

其他公司也在開發ReRAM項目。Dubois說：“現在每個人都在關注ReRAM。如果你的應用是讀取密集型，ReRAM要好得多。”

對于嵌入式ReRAM，主要應用程序包括AI/機器學習、計算、家庭自動化、工業和安全。

其他競爭者

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

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

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

FMC首席執行官StefanMüller表示：“我們所做的主要是一種基于晶體管的技術，基于晶體管的鐵電存儲器。我們正在推進嵌入式領域的發展。這將成為消費者市場中的一部分。”

同時，在研發方面，Nantero公司正在研發碳納米管RAM。對于嵌入式應用，富士通有望提供基于Nantero技術的首批碳納米管RAM。

Nantero公司的Doller表示：“我們的策略是為邏輯器件做嵌入式內存。與此同時，我們正在研發的是一款與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展，它們為OEM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的發展滾滾向前，它們也可能永遠不會成為主流。