全面介紹新型存儲技術(shù)：PCM/MRAM/RRAM/ReRAM

隨著5G、人工智能（AI）、智能汽車等新興應(yīng)用的快速更迭，市場對數(shù)據(jù)存儲在速度、功耗、容量、可靠性等層面提出了更高要求，存儲器技術(shù)也在不斷地面臨著新的挑戰(zhàn)。

在當(dāng)前主流的存儲器技術(shù)中，DRAM雖然速度快，但功耗大、容量低、成本高，且斷電無法保存數(shù)據(jù)，使用場景受限；NAND Flash讀寫速度低，存儲密度明顯受限于工藝制程。

為了突破DRAM、NAND Flash等傳統(tǒng)存儲器的局限，存儲器技術(shù)壁壘不斷被突破，新型存儲技術(shù)開始進(jìn)入大眾視野。

新型存儲有哪些？

目前，新興的存儲技術(shù)旨在集成SRAM的開關(guān)速度和DRAM的高密度特性，并具有Flash的非易失特性。新型存儲技術(shù)可主要分為相變存儲器?(PCM，Phase Change Memory)、磁變存儲器（MRAM）、阻變存儲器（RRAM/ReRAM）以及鐵電存儲器（FRAM/FeRAM）。

相變存儲器通過相變材料相態(tài)的變化獲得不同的電阻值，主要適用于大容量的獨立式存儲應(yīng)用。磁變存儲器通過磁性材料中磁籌的方向變化改變電阻，主要適用于小容量高速低功耗的嵌入式應(yīng)用。

而阻變存儲器則利用阻變材料中導(dǎo)電通道的產(chǎn)生或關(guān)閉實現(xiàn)電阻變化，目前主要用于物理不可克隆芯片（Physical Unclonable Function，PUF），并有可能在未來的人工智能、存算一體等領(lǐng)域發(fā)揮作用。此外，近年來，存算一體正逐漸成為解決當(dāng)前存儲挑戰(zhàn)的熱門趨勢之一。

上述新型存儲技術(shù)都具備一些共性，比如具有非易失性或持久性的特點，而所有的主流非易失性存儲器均源自于只讀存儲器（ROM）技術(shù)；部分技術(shù)可通過工藝縮小尺寸，從而降低成本；無需使用閃存所需的塊擦除/頁寫入方法，從而大大降低了寫入耗電需求，同時提高了寫入速度。下表為新型存儲技術(shù)關(guān)鍵指標(biāo)對比：

圖表來源：全球半導(dǎo)體觀察制表

各路技術(shù)？

相變存儲器（PCM）

PCM是通過熱能的轉(zhuǎn)變，使相變材料（什么叫相變？，比如水在0°時從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，稱為相變）在低電阻結(jié)晶（導(dǎo)電） 狀態(tài)與高電阻非結(jié)晶（非導(dǎo)電）狀態(tài)間轉(zhuǎn)換，即通過相變材料相態(tài)的變化獲得不同的電阻值，也正因此有人認(rèn)為它可以被歸類于阻變存儲器（RRAM）內(nèi)。

PCM擁有壽命長、功耗低、密度高、抗輻照特性好的技術(shù)特點，同時在寫入更新代碼之前，PCM不需要擦除以前的代碼或數(shù)據(jù)，所以其讀寫速度比NAND Flash有所提高，讀寫時間較為均衡。PCM被認(rèn)為是與CMOS工藝最兼容，技術(shù)最成熟的存儲技術(shù)。

對于PCM來說，溫度、成本、良率等都是其技術(shù)突破瓶頸的關(guān)鍵條件。另外，PCM采用的多層結(jié)構(gòu)可使相變材料兼容CMOS工藝，但這也導(dǎo)致存儲密度過低，因而PCM在容量上沒法做到替代NAND Flash。PCM技術(shù)主要以英特爾與美光聯(lián)合研發(fā)的3D Xpoint為代表。

2006年，英特爾與三星合作生產(chǎn)第一款商用 PCM 芯片。2015年，英特爾聯(lián)合美光共同開發(fā)出一種革命性的存儲芯片——3D Xpoint，前者為該技術(shù)冠名為傲騰（Optane），后者則稱為QuantX。3D Xpoint技術(shù)是一種非易失性存儲技術(shù)，與NAND閃存通過晶體管充放電存儲數(shù)據(jù)的工作原理不同，3D Xpoint則是通過PCM相變材料來存儲數(shù)據(jù)。

英特爾與美光表示，3D Xpoint雖然速度遜于DRAM，但其具備1000倍閃存的性能、1000倍的可靠性以及10倍的容量密度。

不過，令人遺憾的是，隨著英特爾傲騰業(yè)務(wù)的關(guān)閉，3D XPoint技術(shù)也將被淹沒在歷史的長河。據(jù)外媒《Tomshardware）去年11月報道，英特爾已悄悄推出傲騰（Optane）SSD DC P5810X固態(tài)硬盤，這可能是英特爾最后一個基于3D XPoint閃存的存儲設(shè)備。

不過，業(yè)界仍在研發(fā)PCM技術(shù)，在去年年初，華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院信息存儲材料及器件研究所（ISMD）聯(lián)合西安交通大學(xué)材料創(chuàng)新設(shè)計中心（CAID）研發(fā)了一種網(wǎng)狀非晶結(jié)構(gòu)的相變存儲器，功耗達(dá)到了0.05pJ以下，比主流產(chǎn)品功耗低了一千倍。

磁變存儲器（MRAM）

MRAM是一種基于隧穿磁阻效應(yīng)的技術(shù)，MRAM的產(chǎn)品主要適用于容量要求低的特殊應(yīng)用領(lǐng)域以及新興的IoT嵌入式存儲領(lǐng)域，該技術(shù)擁有讀寫次數(shù)無限、寫入速度快（寫入時間可低至2.3n）、功耗低、和邏輯芯片整合度高的特點。

目前主流的MRAM技術(shù)主要以美國Everspin公司推出的STT-MRAM（垂直混合自旋扭矩轉(zhuǎn)換磁性隨機(jī)存儲器）為代表。Everspin是一家設(shè)計、制造和商業(yè)銷售離散和嵌入式磁阻RAM（MRAM）和自旋傳遞扭矩MRAM（STT-MRAM）的企業(yè)。

2019年，Everspin與晶圓代工廠格芯合作，試生產(chǎn)28nm 1Gb STT-MRAM產(chǎn)品；2020年3月，雙方宣布已將聯(lián)合開發(fā)的自旋轉(zhuǎn)矩（STT-MRAM）器件的制造，擴(kuò)展至12 nm FinFET平臺，通過縮小制程有助于雙方進(jìn)一步拉低1 Gb芯片成本。Everspin在數(shù)據(jù)中心、云存儲、能源、工業(yè)、汽車和運(yùn)輸市場中部署了超過1.2億個MRAM和STT-MRAM產(chǎn)品。

STT MRAM使用隧道層的“巨磁阻效應(yīng)”來讀取位單元，當(dāng)該層兩側(cè)的磁性方向一致時為低電阻，當(dāng)磁性方向相反時，電阻會變得很高。與其他新興存儲技術(shù)相比，STT-MRAM耐用性較為出色，并且存儲速度極快，還被認(rèn)為是最高級的緩存存儲器。

MRAM還有另一種技術(shù)是SOT-MRAM（自旋軌道扭矩磁性隨機(jī)存儲器），采用三端式 MTJ 結(jié)構(gòu)，將讀取和寫入路徑分開，通過分離讀寫路徑，提供更高的耐用性。

憑借存儲速度和耐用性的特點，這兩種存儲器有望成為高性能計算系統(tǒng)（如數(shù)據(jù)中心）分級存儲體系中的上佳選擇。不過，如果要將STT-MRAM或SOT-MRAM用作高密度存儲器，還需在存儲器成本和密度方面有進(jìn)一步提升。

阻變存儲器（RRAM/ReRAM）

ReRAM是以非導(dǎo)性材料的電阻在外加電場作用下，在高阻態(tài)和低阻態(tài)之間實現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)的非易失性存儲器，該技術(shù)具備一般小于100ns的高速度、耐久性強(qiáng)、多位存儲能力的特點。

ReRAM被分為許多不同的技術(shù)類別，包括氧空缺存儲器 (OxRAM，Oxygen Vacancy Memories)、導(dǎo)電橋存儲器 (CBRAM，Conductive Bridge Memories)、金屬離子存儲器 (MeRAM，Metal Ion Memories)、憶阻器 (Memristors)、以及納米碳管 (CaRAM，Carbon Nano-tubes)，代表公司有美國Crossbar、松下和昕原半導(dǎo)體。

ReRAM由于存儲介質(zhì)中的導(dǎo)電通道具有隨機(jī)性，在二進(jìn)制存儲中難以保證大規(guī)模陣列的均一性。所以，業(yè)界普遍認(rèn)為，ReRAM能夠充分滿足神經(jīng)形態(tài)計算和邊緣計算等應(yīng)用對能耗、性能和存儲密度的要求，預(yù)期將在AIoT、智能汽車、數(shù)據(jù)中心、AI計算等領(lǐng)域獲得廣泛的運(yùn)用，被認(rèn)為是實現(xiàn)存算一體的最佳選擇之一。

在新興的存儲技術(shù)中，ReRAM技術(shù)更適合在存儲單元中采用多級存儲，有利于降低存儲器計算的能耗、提高成本效益，近年來臺積電，Crossbar、英特爾、富士通、三星、UMC、Adesto等國際廠商已對該技術(shù)進(jìn)行重點布局。

去年12月，英飛凌宣布下一代Aurix微控制器將使用嵌入式非易失性存儲器，特別是電阻式隨機(jī)存取存儲器（RRAM），而不是嵌入式閃存（eFlash），并將在臺積電的28納米節(jié)點上制造。英飛凌基于臺積電28納米eFlash技術(shù)的Autrix TC4x系列微控制器樣品已經(jīng)交付給主要客戶，而基于臺積電28納米RRAM技術(shù)的第一批樣品將于2023年底提供給客戶。

值得一提的是，國內(nèi)新型存儲企業(yè)昕原半導(dǎo)體在去年6月宣布，其基于ReRAM的“昕·山文”安全存儲系列產(chǎn)品已實現(xiàn)在工業(yè)自動化控制核心部件的商用。這標(biāo)志著ReRAM新型存儲技術(shù)在28nm工藝節(jié)點上通過了嚴(yán)苛的測試，已被工控領(lǐng)域接受，我國ReRAM新型存儲產(chǎn)業(yè)化再進(jìn)一步。另外，兆易創(chuàng)新和Rambus聯(lián)手建立合資企業(yè)合肥?？莆?，進(jìn)行RRAM技術(shù)的商業(yè)化，目前尚無量產(chǎn)消息。

鐵電存儲器（FRAM/FeRAM）

FRAM技術(shù)是利用鐵電晶體材料電壓與電流關(guān)系具有滯后回路的特點來實現(xiàn)信息存儲，鐵電材料可同時用于電容器和CMOS集成電路柵氧化層的數(shù)據(jù)存儲。

FRAM技術(shù)具有讀寫速度快、壽命長、功耗低、可靠性高的特點，憑借諸多特性，正在成為存儲器未來發(fā)展方向之一。而FRAM產(chǎn)品已在半導(dǎo)體市場上得到了商業(yè)驗證，F(xiàn)RAM存儲器產(chǎn)品已成功應(yīng)用在汽車中，F(xiàn)RAM代表公司包括Ramtron和Symetrix、英飛凌、日本富士通半導(dǎo)體。

此前人們在被廣泛用于CMOS柵氧化層的氧化鉿（HfO2）中發(fā)現(xiàn)了鐵電性，引起了業(yè)界的關(guān)注。由于具備速度快、數(shù)據(jù)不易丟失，易于集成到CMOS等優(yōu)點，鐵電材料正作為一種新型存儲器的候選材料得到廣泛研究。

結(jié) 語

幾十年來，研究人員日夜埋頭研究，希望能夠研發(fā)出可以取代傳統(tǒng)存儲器的新型存儲技術(shù)。雖然當(dāng)前的新型存儲市場主要集中于低延遲存儲與持久內(nèi)存，還不具備替代DRAM/NAND閃存的能力，但在數(shù)據(jù)爆發(fā)式增長的時代下，新型存儲憑借所具備的超強(qiáng)性能、超長壽命、可靠性及耐高溫等優(yōu)秀的特性，將有望成為存儲器領(lǐng)域的新選擇。

編輯：黃飛

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