2023年ReRAM技術(shù)開始進入主流市場

在過去的幾年里，我們看到全球?qū)ρ邪l(fā)和生產(chǎn)的大量投資，世界各國政府通過直接投資和企業(yè)激勵措施對這一領(lǐng)域給予了前所未有的關(guān)注。世界經(jīng)濟顯然將半導(dǎo)體視為一個具有越來越重要戰(zhàn)略意義的領(lǐng)域。

盡管經(jīng)濟逆風(fēng)，但到 2023 年，我們將看到公共和私人來源對半導(dǎo)體研究和生產(chǎn)的持續(xù)投資。SEMI 報告稱，2020 年、2021 年和 2022 年總共有 57 座新晶圓廠開工建設(shè)。這些投資需要時間才能成熟為實際的晶圓廠產(chǎn)能，但我們已經(jīng)開始看到一些最早的投資取得成果。對于為高級片上系統(tǒng) (SoC) 提供技術(shù)的公司來說，所有這些投資都是一個機會，例如 EDA、設(shè)備和嵌入式技術(shù)，以及類似ReRAM 這樣的非易失性存儲器 (NVM) IP。

到 2023 年，我們還將看到電源管理 IC (PMIC)、音頻放大器 IC 和其他用于消費、汽車、工業(yè)、電信和醫(yī)療應(yīng)用的高壓設(shè)計等領(lǐng)域的功能集成度加快。從歷史上看，與數(shù)字設(shè)計（如 130 納米和 180 納米）相比，此類模擬/混合信號設(shè)計采用更成熟的工藝幾何形狀制造，但不斷增加的功率和成本壓力意味著其中一些設(shè)計正在轉(zhuǎn)向更先進的節(jié)點，從而有可能進一步集成邏輯和內(nèi)存。通過在 65nm-40nm 雙極-CMOS-DMOS (BCD) 工藝中將高壓器件與邏輯門和 NVM 集成到單個芯片上，設(shè)計人員可以降低功耗并提高性能。

用于汽車、電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、智能卡等應(yīng)用的微控制器中的系統(tǒng)集成也在加速。這些 MCU 必須支持日益復(fù)雜的編程，同時還要將成本和功耗保持在最低水平。通過在片上集成更多資源并消除外部存儲器組件，設(shè)計人員可以降低成本和功耗并提高系統(tǒng)速度和安全性。隨著這些設(shè)計向更小的工藝節(jié)點（最終為 28 納米和 22 納米）擴展，這些設(shè)備的 NVM 必須能夠與其他片上組件一起擴展，同時提供所需的性能、功率和成本。

然而，對于大多數(shù)應(yīng)用而言，將閃存（傳統(tǒng)的 NVM）嵌入到 28nm 以下的 SoC 中在經(jīng)濟上并不可行。即使采用 3D 堆疊、高級封裝和小芯片架構(gòu)，嵌入式閃存也面臨著巨大的成本、功耗和安全挑戰(zhàn)。由于這些集成挑戰(zhàn)——以及閃存的其他挑戰(zhàn)——2023 年將有更多公司在高級節(jié)點上尋找 NVM 替代方案。

電阻 RAM (ReRAM)、相變存儲器 (PCM)、磁阻 RAM (MRAM) 和鐵電 RAM (FRAM) 等新興 NVM 提供了替代方案。與閃存相比，這些技術(shù)中的每一種都可以更輕松地擴展到高級幾何結(jié)構(gòu)，但每一種技術(shù)也都有其優(yōu)點和缺點。在考慮成本、復(fù)雜性、功耗、性能和其他參數(shù)時，ReRAM 為各種應(yīng)用提供了最佳平衡。

對于沒有傳統(tǒng)閃存技術(shù)的新晶圓廠，向新 NVM 技術(shù)的過渡相當(dāng)簡單，尤其是當(dāng) NVM 像 ReRAM 一樣集成在生產(chǎn)線后端 (BEOL) 時。因為它是在 BEOL 集成的，所以每個工藝節(jié)點可以采用一次 ReRAM，然后它將適用于所有節(jié)點的變體。相比之下，閃存集成在前端 (FEOL)，因此它必須適應(yīng)節(jié)點的每個變體。這種 FEOL 集成還意味著使用閃存的公司必須經(jīng)常進行設(shè)計權(quán)衡，這可能會損害 FEOL 中集成的其他模擬組件，從而導(dǎo)致整體性能下降、尺寸增大和成本增加。在使用像 ReRAM 這樣的 BEOL NVM 進行設(shè)計時，這些權(quán)衡不是一個因素。

2023 年，我們將看到 ReRAM 技術(shù)開始進入主流。臺積電和英飛凌等公司已宣布將 ReRAM 推向汽車市場，其他晶圓廠也開始在其 IP 庫中采用 ReRAM。

為什么新興存儲還沒取得成功？

7 月 28 日，也就是自首次推出 3D XPoint 內(nèi)存技術(shù)七年后的一天，英特爾透露，公司將“關(guān)閉”其 Optane 內(nèi)存業(yè)務(wù)。

在 3D XPoint 推出時，英特爾稱其為自 1988 年公司推出閃存以來的第一個新內(nèi)存技術(shù)。為什么這項技術(shù)以及許多其他有前途的內(nèi)存技術(shù)未能成功占領(lǐng)成熟技術(shù)的市場？

Optane 是相變存儲器 (PCM) 的一種變體，其出貨量遠(yuǎn)高于 FRAM、MRAM 和 ReRAM 等其他技術(shù)，2020 年的年收入達到 3.92 億美元，但最終從未盈利，這就是英特爾退出這項業(yè)務(wù)的原因。

讓我們看看我們目前正在討論的技術(shù)。雖然遠(yuǎn)不止這四種，但成熟度和市場份額的領(lǐng)先者是 PCM、MRAM、FRAM 和 ReRAM。

目前占主導(dǎo)地位的存儲器技術(shù)有：DRAM、NAND 閃存、NOR 閃存、SRAM 和 EEPROM，除 SRAM 外，所有技術(shù)都是基于電荷的。SRAM 基于觸發(fā)器電路，需要多個晶體管，通常是六個。雖然這使得該技術(shù)速度快，并且對隨機位翻轉(zhuǎn)不那么敏感，但它也使得它比幾乎完全基于單晶體管位單元的其他技術(shù)成本高得多。

使用基于電荷的存儲器，它們將位的狀態(tài)存儲為電容器板上的電子集合。奇怪的是，以下技術(shù)都沒有做到這一點。此外，以下每一項技術(shù)都是非易失性的，但它們不需要閃存或 EEPROM 典型的極長寫入周期。它們在技術(shù)上都優(yōu)于已建立的技術(shù)，并有望擴展到比今天的記憶所能支持的更精細(xì)的工藝技術(shù)。

PCM

由于在英特爾的 Optane 產(chǎn)品中的使用，相變內(nèi)存（PCM 或 PRAM）已成為新興內(nèi)存技術(shù)中遙遙領(lǐng)先的收入領(lǐng)導(dǎo)者。STMicroelectronics 還生產(chǎn)帶有 PCM 程序存儲的微控制器 (MCU)，三星、美光和英特爾都在十多年前量產(chǎn)了 PCM NOR 閃存替代品，它們的壽命很短。

PCM 基于沉積在標(biāo)準(zhǔn) CMOS 邏輯芯片上方的硫?qū)倩锊ＡР牧?，該芯片根?jù)玻璃的特性改變其狀態(tài)。在 PCM 中，玻璃從晶態(tài)變?yōu)榉蔷B(tài)，從而變?yōu)閷?dǎo)電或電阻。英特爾曾表示 3D XPoint 的行為有所不同，但并未透露更多信息。

PCM 可以建立在crosspoint配置中，其中一個位可以存儲在兩條正交導(dǎo)線的交叉處。這適用于堆疊，這將使其裸片尺寸和生產(chǎn)成本低于除 3D NAND 之外的任何現(xiàn)有技術(shù)。該技術(shù)的研發(fā)歷史悠久：英特爾的 Gordon Moore在 1970 年與當(dāng)時都在 Energy Conversion Devices Inc. 工作的 Ron Neale 和 DL Nelson共同撰寫了一篇關(guān)于 256 位 PCM 原型的文章。

MRAM

磁性 RAM (MRAM) 是一種基于所有磁性記錄（HDD、磁帶等）中使用的物理原理的技術(shù)，但應(yīng)用的方式是去除機械元件——芯片內(nèi)沒有任何移動。Everspin 公司的產(chǎn)品源于摩托羅拉（當(dāng)時的飛思卡爾）的研究，他們在2021 年收入 4400 萬美元，是該領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，Avalanche 和 Numem 最近也加入了競爭。代工廠臺積電、格羅方德和三星提供嵌入式 MRAM 工藝，這些工藝開始在為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和低功耗設(shè)備設(shè)計的 SoC 中使用。

MRAM 的種類幾乎數(shù)不勝數(shù)：Toggle、STT、SOT、OST……，但它們在結(jié)構(gòu)上都非常相似，使用鈷和鎂層作為巨磁阻 (GMR) 傳感器和磁開關(guān)元件。所有材料都在半導(dǎo)體生產(chǎn)環(huán)境中得到充分了解，大量用于 HDD 讀/寫磁頭。

在 MRAM 中，數(shù)據(jù)通常存儲在“自由”層中，其磁性可以改變，與制造時設(shè)置的“固定”層進行比較。GMR 傳感器檢測兩者之間的差異。大多數(shù) MRAM 變體之間的最大區(qū)別在于數(shù)據(jù)寫入它們的方式。每個位單元都使用至少一個晶體管，而許多有兩個，并且電流相當(dāng)大，使得該技術(shù)的生產(chǎn)成本效益低于其他技術(shù)。它的主要優(yōu)勢是速度。倡導(dǎo)者設(shè)想未來 MRAM 將取代高速 SRAM。

FRAM

鐵電 RAM（FRAM 或 FeRAM）是最古老的新興存儲器，因為 FRAM 芯片自 1955 年就出現(xiàn)了，比 IC 發(fā)明早了三年！FRAM 技術(shù)還具有成為單位體積領(lǐng)先者的區(qū)別，在其歷史上已包含在超過 40 億個芯片中。如今，英飛凌生產(chǎn)分立式 FRAM 芯片，而 TI 和富士通則將該技術(shù)嵌入到 MCU 中。大批量出貨源于富士通在可重寫 RFID 卡中使用 FRAM，其寫入能量來自詢問無線電信號。FRAM 在這些技術(shù)中具有最低的寫入能量。

盡管有它的名字，F(xiàn)RAM 不使用任何鐵——它只是有一個磁滯回線（t simply has a hysteresis loop redolent of magnetism in iron），讓人聯(lián)想到鐵中的磁性，并且該磁滯回線允許它存儲數(shù)據(jù)。從物理上講，壓電晶體中的原子從其分子的一側(cè)移動到另一側(cè)并停留在那里以表示一或零。

過去，F(xiàn)RAM 一直基于兩種材料中的任何一種：鋯鈦酸鉛 (PZT) 和鉭酸鍶鉍 (SBT)，但每種材料都包含令晶圓廠管理人員擔(dān)心的元素（鉛或鉍），因為它們很容易污染一個工廠。幸運的是，2011 年發(fā)現(xiàn)氧化鉿 (HfO) 在某些條件下表現(xiàn)出鐵電特性。HfO 是 FinFET 中使用的高 k 柵極電介質(zhì)的基礎(chǔ)，因此它已經(jīng)在大批量生產(chǎn)環(huán)境中得到了很好的理解，而且它不會污染晶圓廠。盡管如今 HfO 并未用于生產(chǎn) FRAM，但它具有廣闊的前景。

今天的 FRAM 單元有一個或兩個晶體管，將其限制為單層，使其芯片面積與 DRAM 相當(dāng)。

ReRAM

與 MRAM 一樣，電阻式 RAM 也有多種變體（ReRAM 或 RRAM），它們都不是由一家以上的公司生產(chǎn)的。所有這些都是通過在標(biāo)準(zhǔn) CMOS 邏輯上沉積特殊材料制造的。

ReRAM 代工工藝由臺積電、華邦和 Globalfoundries 提供支持，ReRAM 由瑞薩（通過收購 Adesto）、富士通、Microchip 和索尼作為獨立產(chǎn)品生產(chǎn)，而新唐則在微控制器中生產(chǎn)。許多其他公司正在開發(fā) ReRAM 工藝。

在電阻式 RAM 單元中，電流在兩條線之間通過，以檢測位單元的電阻是高還是低。通常，通過增加正或負(fù)方向的電壓來改變電池的狀態(tài)以增加或降低電池的電阻，通常是通過將金屬離子或氧空位等導(dǎo)電元素移動到橋中，或者通過將它們從現(xiàn)有橋中移除。純粹主義者可能會爭辯說，此列表中的大多數(shù)其他技術(shù)（PCM、MRAM 和 FRAM）都可以歸入 ReRAM 類別，因為它們也使用可變電阻來指示內(nèi)存位的狀態(tài)。

ReRAM 的關(guān)鍵屬性之一是，與 PCM 一樣，它可以內(nèi)置到交叉點單元中以進行堆疊。它也有望用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，因為它可以將線性值存儲在單個位單元上。

為什么傲騰失敗了？

Optane 的失敗不是因為任何技術(shù)問題。所有這些存儲器都提供了重要的價值，因為它們都是非易失性的，并且比 NAND 或 NOR 閃存消耗的能量和寫入時間要少得多。所有這些都有望達到比任何現(xiàn)有內(nèi)存技術(shù)更精細(xì)的工藝幾何形狀，這意味著它們最終可以以更低的成本制造。但這是真正的問題——他們從未真正兌現(xiàn)過這個承諾，而且在內(nèi)存業(yè)務(wù)中，除了成本之外幾乎沒有什么問題。

沒有什么比 2007-2008 年手機從 NOR 加 SRAM 到 NAND 加 DRAM 的戲劇性轉(zhuǎn)變更清楚地說明這一點了。與 NOR 和 SRAM 相比，NAND 和 DRAM 的性能吸引力要小得多，但這些技術(shù)的每 GB 成本差異相差幾個數(shù)量級，這足以保證找到解決方法。

成本有兩個因素。一是裸片尺寸，二是晶圓成本。在任何給定的工藝幾何結(jié)構(gòu)中，這些技術(shù)中的許多都與 DRAM 和 NOR 閃存競爭——SRAM 甚至沒有在裸片尺寸競爭中表現(xiàn)出來，它的 6 晶體管位單元尺寸。由于 NAND 已經(jīng)走向 3D，任何競爭技術(shù)所能做的最好的事情就是復(fù)制 NAND 的 3D 結(jié)構(gòu)以匹配其裸片尺寸，并希望能夠匹配 NAND 的成本，但不要超過它。

第二個因素，晶圓成本，是真正阻礙這些技術(shù)發(fā)展的因素。如果一項技術(shù)以小批量運行，其晶圓成本會變得非常高，這會阻礙該技術(shù)站穩(wěn)腳跟。請記住，除了成本之外，幾乎沒有什么問題。

根據(jù) Objective Analysis 的估計，任何新技術(shù)都必須達到 DRAM 數(shù)量級內(nèi)的晶圓量才能匹配 DRAM 的成本結(jié)構(gòu)，即使新技術(shù)的裸片尺寸比它的 DRAM 小得多。試圖取代。（這是基于 NAND 閃存成本與 DRAM 成本的歷史，以及它們在 2004 年的交叉情況。）由于 DRAM 的產(chǎn)量約為每年 450 萬片晶圓，這是一個相當(dāng)大的數(shù)字。據(jù)我們了解，3D XPoint 晶圓產(chǎn)量達到每年約 15 萬片晶圓的峰值，與DRAM一樣多的晶圓。

英特爾希望通過 Optane 實現(xiàn)足夠高的規(guī)模以實現(xiàn)這一交叉，但其晶圓量明顯低于 DRAM，結(jié)果在下圖中很明顯，該圖表繪制了 Objective Analysis 對英特爾自引入該技術(shù)的損失的估計從 2017 年到 2020 年。（最近幾年，英特爾停止透露足夠的信息來估計 Optane 的損失。）該圖表不包括美光在 2019 年末和 2020 年每季度生產(chǎn) 3D XPoint 晶圓的損失為 100-2.5 億美元。

英特爾在 Optane 內(nèi)存上的估計季度虧損

那么，其他新興的內(nèi)存技術(shù)又將何去何從呢？?

它幾乎決定了這些技術(shù)永遠(yuǎn)不會成為利基市場產(chǎn)品。但還有另一個領(lǐng)域絕對需要這些新興內(nèi)存技術(shù)中的一種或多種。讓我們看看。成功的潛力

正如我們在新報告《新興存儲器進入下一階段》中所解釋的那樣，越來越多的公司使用的 CMOS 代工邏輯無法將 NOR 閃存嵌入到小于 28nm 的工藝中，除非 NOR 是使用 28nm 或更大的工藝技術(shù)生產(chǎn)的。換句話說，芯片的邏輯部分會隨著工藝的縮小而繼續(xù)縮小，但 NOR 的尺寸會保持不變，這將大大減緩芯片成本的降低。SRAM 似乎也是如此。在大約 10nm 的工藝中，SRAM 的擴展速度比邏輯慢得多，盡管它并沒有像 NOR 那樣完全停止。

對于任何具有相當(dāng)大的 NOR 元件的芯片，有四種方法可以解決這個問題：

1、繼續(xù)縮小邏輯，但使 NOR 區(qū)域保持相同大小，以降低成本。這對于閃存很少的芯片來說可能是可以接受的。

2、使用外部 NOR 閃存并將其內(nèi)容移入和移出內(nèi)部 SRAM 緩存。雖然這延遲了不可避免的問題，但這不是一個長期的解決方案，因為 SRAM 也將停止擴展。這也是一種能源效率低下的解決方案。

3、使用小芯片并使用 NOR 優(yōu)化工藝在自己的芯片上制作 NOR 閃存。這可能會在一段時間內(nèi)提供更便宜的 NOR 元件，但它很快就會達到自己的終點。

4、轉(zhuǎn)換為一種新興的內(nèi)存技術(shù)，這種解決方案似乎比上述三種具有更長遠(yuǎn)的前景。本著這種精神，臺積電、三星和 GlobalFoundries 都推出了 MRAM 和 ReRAM 工藝，以支持那些尋求此類解決方案的客戶。

如果第四個選項流行起來，它將推動晶圓產(chǎn)量增加，而更高的產(chǎn)量將降低成本，從而使這些代工廠生產(chǎn)的離散存儲芯片在財務(wù)上更具吸引力，這將有助于創(chuàng)造更多的產(chǎn)量。

因此，最終，任何希望成功的新興技術(shù)都可能從邏輯過程中的嵌入式存儲器開始，這將降低生產(chǎn)成本。這些成本降低最終將變得足夠顯著，以使分立存儲芯片達到足夠低的成本結(jié)構(gòu)，從而威脅到當(dāng)今領(lǐng)先的存儲技術(shù)。

編輯：黃飛

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