你不知道的那些存儲(chǔ)技術(shù)

國內(nèi)存儲(chǔ)也有一些創(chuàng)新，長江存儲(chǔ)的Xtacking結(jié)構(gòu)，和前邊提到的4D結(jié)構(gòu)類似，把CuA單元放在頂層，一樣也是蓋高樓，64層，然后往更多的96層，100層+往上走。但樓層越蓋越高，容量肯定越來越大，各方面也會(huì)帶來一些問題，可靠性和性能方面會(huì)有受到影響。

關(guān)于SSD還有人預(yù)測，NAND工藝可能終止在2020年的10nm。相比較而言，HDD傳統(tǒng)磁盤容量進(jìn)展緩慢，到2015年HDD到10TB，2020年估計(jì)可以到40TB，2025年可能到100TB，有一些新技術(shù)，比如熱輔助寫入等可能還會(huì)使傳統(tǒng)磁盤在容量上走得更長遠(yuǎn)，但已經(jīng)跟SSD拉開了很大差距。因?yàn)镾SD至2018年底已經(jīng)達(dá)到128TB。

超大型數(shù)據(jù)中心用戶自研的SSD未來占比會(huì)不斷提升，它可能不會(huì)去買現(xiàn)有商用設(shè)備，因?yàn)槌杀咎?，因此通過自研來增加存儲(chǔ)容量和性能，所占比例正在快速的增長。

閃存技術(shù)到了相對比較成熟的階段，但可能還會(huì)有一些進(jìn)展，技術(shù)還有一些發(fā)展，一些新型技術(shù)也在研究和出現(xiàn)，其中之一就是被稱為阻變存儲(chǔ)技術(shù)。

阻變存儲(chǔ)技術(shù)（RRAM）

這個(gè)技術(shù)存在原因是發(fā)現(xiàn)某些材料，目前最多的是過度金屬氧化物，基本上都有這種特性，它的薄膜厚度大概在50nm，如果兩端加了電壓，電阻會(huì)發(fā)生變化。

因?yàn)檫^度金屬氧化物的薄膜其實(shí)都是一個(gè)絕緣體，不導(dǎo)電，但是通過加壓以后，發(fā)現(xiàn)電阻會(huì)變化，電壓撤掉以后，電阻還會(huì)保持在那，所以這些應(yīng)用有可能會(huì)作為存儲(chǔ)器，發(fā)現(xiàn)以后就成為一個(gè)研究的熱點(diǎn)。

左邊這張圖是切換次數(shù)和高低點(diǎn)變頻之間的一個(gè)對應(yīng)的關(guān)系，這個(gè)圖是500次開關(guān)以后，高低的變頻基本上沒有變化，右邊是一個(gè)結(jié)構(gòu)，所謂的結(jié)構(gòu)上下是電極，中間有一層功能材料，這個(gè)材料是薄膜，目前大部分是金屬氧化物，比如說氧化鋅、氧化鈦等等，這些薄膜會(huì)受電壓的變化，它的電阻會(huì)在高和低之間切換，這是所謂的阻變存儲(chǔ)。

剛才提到大家對閃存結(jié)構(gòu)和機(jī)理清楚，但對于阻變的機(jī)理還不是很清楚，學(xué)術(shù)界有一些研究成果，比如導(dǎo)電切換機(jī)制分成三類——電化學(xué)金屬化機(jī)制，價(jià)電改變機(jī)制和熱化學(xué)機(jī)制。其中在電化學(xué)金屬研究中提出和一個(gè)導(dǎo)電細(xì)絲形成有關(guān)，通過兩端加壓形成導(dǎo)電細(xì)絲，引起電阻的變化。所以導(dǎo)致離子遷移或者氧化還原反應(yīng)的過程。這能解釋一部分材料結(jié)構(gòu)阻變情況，但不能解決所有的阻變情況。

剛才提到有多種假設(shè)來解釋氧化物的阻變過程，最廣泛的是離子遷移。通過分析大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)一些共同的特征。第一，不依賴與電場的極性。第二是電致電阻變換下錳氧化物材料的電阻下降。第三是材料離子化學(xué)態(tài)發(fā)生變化。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示的共有特征說明，氧化物電致電阻變換的機(jī)制應(yīng)該不是電場下位遷移形成導(dǎo)電細(xì)絲模型所描述的。研究結(jié)果表明應(yīng)該考慮載流子注入效應(yīng)。在不同的電極情況下，可能它會(huì)表現(xiàn)出不同的一些現(xiàn)象，這個(gè)說明電極也可能參與了阻變的過程，不僅僅是材料本身所引起的。

載流子注入與自束縛載流子觀點(diǎn)描繪出了相當(dāng)合理的圖像，來理解觀察到的大量不同研究組發(fā)表的多種多樣氧化物電致電阻變換行為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。綜合來看，外加電場下氧化物薄膜的電阻變換與引起的相關(guān)現(xiàn)象可能會(huì)開辟出一個(gè)奇異的全新研究與應(yīng)用領(lǐng)域。也就是說阻變可能不像開始的時(shí)候人們理解的那樣簡單，這個(gè)過程可能是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，這是我們研究一段時(shí)間以后得出的結(jié)論。

相變技術(shù)（PRAM）

另外一種新興的存儲(chǔ)技術(shù)，我們稱之為相變。由相變引起電阻的變化。因?yàn)橐M(jìn)入熔融態(tài)，所以它要接受比較高的溫度，從比較大的電流進(jìn)去，單元密度比較密的時(shí)候，芯片能耗就會(huì)非常得大，所以這是相變。機(jī)理清楚，但它最主要的一個(gè)是熱的散發(fā)，需要散熱。另外，盡量讓它少產(chǎn)生熱，這兩個(gè)途徑來做改進(jìn)。

市場預(yù)測：PCM是一種非易失性存儲(chǔ)設(shè)備，存儲(chǔ)量更大，耐久性更強(qiáng)，讀寫速度更快，PCM的優(yōu)勢在未來不僅會(huì)逐漸取代現(xiàn)有存儲(chǔ)器市場的大多數(shù)，而且將會(huì)大大擴(kuò)展現(xiàn)有的存儲(chǔ)器市場，前景極為可觀，預(yù)計(jì)2025年市場規(guī)?？膳c當(dāng)前半導(dǎo)體市場相當(dāng)。

2016年5月，IBM發(fā)布了每個(gè)存儲(chǔ)單元可以保存三位數(shù)據(jù)的相變存儲(chǔ)技術(shù)。相變存儲(chǔ)器能讓PC和手機(jī)瞬間啟動(dòng)，讓應(yīng)用快速加載。如果能克服現(xiàn)有不足的話，相變的前景會(huì)非常好。

既然相變有這個(gè)優(yōu)勢，學(xué)術(shù)界也做了很多研究，比如超晶格相變薄膜材料。比如Si/Sb（銻），它在離散電壓脈沖下比其他材料要低47%，這說明它的功耗就低了。功耗一低，它的散熱程度也會(huì)大大下降，這是在相變上做的一些探索性的研究。

另外一種，不通過熔融態(tài)去改變它的狀態(tài)，而是通過電子空穴注入，改變了Ge原子的位置，這樣沒有一個(gè)熔融的過程，能耗降低，速度會(huì)更快一些。置位脈沖時(shí)間和電壓的關(guān)系，以及電阻和復(fù)位電流的關(guān)系，電阻和置位復(fù)位循環(huán)。高低電阻沒有很大的變化，說明這種情況在機(jī)理上還是可以有優(yōu)勢的。

磁性存儲(chǔ)（STT-MRAM）

目前大家談?wù)摫容^多的是磁存儲(chǔ)器。早期的是FIMS，現(xiàn)在稱為新的一代STT-MRAM，使得功耗大大下降，當(dāng)然體積也有很大的改進(jìn)。從原來需要大概10毫安的電流，現(xiàn)在可能是150微安左右，所以STT-MRAM的前景也是非?？春茫赡軙?huì)是成為非易失存儲(chǔ)領(lǐng)域有競爭力的候選者。

STT-MRAM已經(jīng)開始實(shí)現(xiàn)商用。但目前容量有限，要擴(kuò)大市場，需要實(shí)現(xiàn)大容量化，一旦容量有進(jìn)展，它的讀寫性能和疲勞特性都會(huì)比閃存高出好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

它的問題是目前存在準(zhǔn)確集約，包括溫度、位置電壓、尺寸等相關(guān)器件參數(shù)的宏模型，也沒有一個(gè)高可靠的EDA工具的支持，成為阻礙大容量STT-MRAM大批量工業(yè)生產(chǎn)的重要因素。

同時(shí)，另一個(gè)亟待解決的問題是如何將磁隧道結(jié)的制造與CMOS工藝完美結(jié)合，并不斷隨著工藝進(jìn)步而快速調(diào)整。它帶有磁性，傳統(tǒng)工藝沒有磁性，所以流水線是不兼容的，這也是需要解決的問題。

鐵電存儲(chǔ)（FRAM）

鐵電材料非常奇怪，它天生就有一個(gè)電場極性，這個(gè)極性會(huì)隨著外電場的變化而變化，它中間的金屬原子不是固定在一個(gè)位置，而是隨著電場的偏移而偏移。

鐵電存儲(chǔ)是比較早提出來的，但早期因?yàn)橛幸粋€(gè)是破壞性的，這個(gè)內(nèi)容丟失了，還要把它寫回去，這樣會(huì)浪費(fèi)很多時(shí)間和損失很多能耗。

另外結(jié)構(gòu)上的原因，容量不能做得很大，所以有小容量的產(chǎn)品，比如在智能電表或者汽車上有一些應(yīng)用，但容量太小，所以說沒有取得非常廣泛的應(yīng)用。

鐵電存儲(chǔ)有一些新的結(jié)構(gòu)，比如在單元結(jié)構(gòu)上的一些改進(jìn)，把鐵電做成CMOS的結(jié)構(gòu)，這樣在高速耐用性和低功耗方面可能是一個(gè)理想的解決方案。由于薄膜技術(shù)的進(jìn)展，電源電壓已經(jīng)連續(xù)下降，可以確保低功耗操作。功耗如果降下來，它的發(fā)熱等等也會(huì)有改善。

從單元的角度，如果把它不斷地做一些改進(jìn)，把這個(gè)MFIS插入一個(gè)絕緣層，這樣可以降低一些漏電?；蛘卟迦胍粋€(gè)MFIS進(jìn)一步提高性能，在這個(gè)上面不斷做一些改進(jìn)，加一些技術(shù)層或者絕緣層，從單元上來改善鐵電的性能。

另外，它的結(jié)構(gòu)有一些新材料的發(fā)現(xiàn)，有一些新結(jié)構(gòu)也提出來了，把它做成一種鐵電存儲(chǔ)的晶體管，不是通常存儲(chǔ)電容中，右邊的結(jié)構(gòu)可以避免了破壞性的讀出，在性能上有很大的改進(jìn)。

另外一種全新的概念，發(fā)現(xiàn)通量全閉合的疇結(jié)構(gòu)，相對可以在更小的單元尺度上來做這個(gè)存儲(chǔ)，所以可以為高密度提供一個(gè)新的途徑，這是在基礎(chǔ)科學(xué)方面的一個(gè)很大的突破。通過新的一些表征手段，也發(fā)現(xiàn)了斯格明子以及二維斯格明子產(chǎn)生，在新形存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)應(yīng)用上也帶來了一些新的可能性，只能說可能性，因?yàn)榻^對有可能它高密度存儲(chǔ)也用，但是實(shí)際的應(yīng)用用到器件上還有一定的距離，也就是說到現(xiàn)在還沒有一個(gè)原型的系統(tǒng)。

但是斯格明子的產(chǎn)生，也為這種系統(tǒng)提供了一種可能性，它非常小，大概只有幾個(gè)納米的尺度。但是它非常穩(wěn)定，這個(gè)也是一個(gè)非常有意思的發(fā)現(xiàn)。

因?yàn)殍F電存儲(chǔ)有很多的特性，一個(gè)是非易失、低功耗、多讀寫次數(shù)、高存取速度、高密度。另外它還有一個(gè)特性，就是抗輻射，抗輻射的特性可以在航空航天上得到很好的應(yīng)用，應(yīng)該說也是一個(gè)很有優(yōu)勢的存儲(chǔ)。

基于鐵電晶體管為存儲(chǔ)單元的鐵電存儲(chǔ)器，還具有結(jié)構(gòu)簡單、非破壞性獨(dú)出、遵循集成電路比例縮小原則的優(yōu)點(diǎn)，未來發(fā)展前景廣闊。另外HfO2薄膜鐵電性的發(fā)現(xiàn)，為鐵電存儲(chǔ)的研發(fā)打開了一條新的通路。多值鐵電存儲(chǔ)單元將成為發(fā)展趨勢，跟3D蓋樓一樣。

最后稍微總結(jié)一下，閃存來說，QLC+3D，或者4D NAND，XTacking容量將增加，但工藝極限預(yù)測是10nm，時(shí)間大約在2020年。

不過也不用太焦慮，因?yàn)榧呻娐樊?dāng)年曾經(jīng)預(yù)測90nm是極限，現(xiàn)在7nm都已經(jīng)商品化了，90nm當(dāng)時(shí)分析熱電流基本上是50%，沒辦法工作。但技術(shù)的進(jìn)步大大超出預(yù)料，90納米不僅通過，而且65納米、40納米、33納米不斷地往極限進(jìn)，所以現(xiàn)在預(yù)測如果閃存工藝集成終結(jié)在10納米，到2020年可能新技術(shù)突破了，所以也可能閃存在容量上還會(huì)進(jìn)一步增加。

剛才提到的相對來說幾種新的存儲(chǔ)，需要進(jìn)一步做機(jī)理探索，穩(wěn)定性、可靠性提高，相變薄膜材料，它的目的是降低熱能，離子和空間注入的TRAM可能是一種方法。從STT-MRAM看，新材料新結(jié)構(gòu)可以增加STT效益。FRAM方面是新材料、新結(jié)構(gòu)、新理論。新的存儲(chǔ)芯片技術(shù)，閃存以后誰將成為主流芯片？取代現(xiàn)在閃存主流的位置，這現(xiàn)在還不太好說，就我個(gè)人而言，F(xiàn)RAM應(yīng)該更有可能成為取代閃存的存儲(chǔ)新技術(shù)。