前瞻布局，新一代存儲(chǔ)器盼突破

導(dǎo)讀：雖然我國(guó)在傳統(tǒng)存儲(chǔ)器布局落后很多，但在下一代存儲(chǔ)器技術(shù)早已戰(zhàn)略布局。幾年前更有二十幾位中科院院士聯(lián)名支持發(fā)展磁變存儲(chǔ)器（MRAM），我國(guó)科研力量在未來(lái)存儲(chǔ)器的產(chǎn)業(yè)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)會(huì)扮演相當(dāng)重要的角色。

物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展熱潮將推升存儲(chǔ)器需求。行動(dòng)裝置、汽車、工業(yè)等機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）裝置對(duì)固態(tài)硬盤(pán)需求持續(xù)攀升，加上嵌入式系統(tǒng)因應(yīng)大數(shù)據(jù)資料來(lái)臨，對(duì)存儲(chǔ)器容量的要求也翻倍成長(zhǎng)，這些都可望帶動(dòng)各種嵌入式存儲(chǔ)器出貨量一路長(zhǎng)紅。但以海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為主要載體的物聯(lián)網(wǎng)對(duì)存儲(chǔ)器提出了低成本、低功耗、高容量、高速度、高可靠性的要求。尋找一種最具有競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展?jié)摿Φ姆菗]發(fā)性存儲(chǔ)器，緊迫且意義重大。

對(duì)于信息存儲(chǔ)產(chǎn)品的性能有了更高要求后，迫切需要在存儲(chǔ)材料和技術(shù)方面取得突破。在這些需求的驅(qū)動(dòng)下，相繼出現(xiàn)了一些新型非易失存儲(chǔ)器，如鐵電存儲(chǔ)器（FRAM）、相變存儲(chǔ)器（PRAM）、磁變存儲(chǔ)器（MRAM）、阻變存儲(chǔ)器（RRAM）。

磁變存儲(chǔ)器（MRAM）是一種非揮發(fā)性存儲(chǔ)器技術(shù)，也就是當(dāng)電流關(guān)掉，所儲(chǔ)存的資料并不會(huì)消失的存儲(chǔ)器。磁變存儲(chǔ)器最有潛力的代表是自旋轉(zhuǎn)移力矩磁變存儲(chǔ)器（STT MRAM）。既有動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）和靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）的高性能，又能兼顧閃存的低功耗優(yōu)勢(shì)。存儲(chǔ)單元主體為磁性隧道結(jié)（MTJ），有上下兩層磁性材料（如：鈷鐵合金）和中間的絕緣夾層（如：氧化鎂）所組成。其中一層為固定磁性層，另一層為自由磁性層。工作原理是由磁場(chǎng)調(diào)制上下兩層磁性層的磁化方向成為平行或反平行，從而建立兩個(gè)阻值各異的穩(wěn)定狀態(tài)。

磁變存儲(chǔ)器（MRAM）自1990年代開(kāi)始發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)在學(xué)理上的存取速度接近SRAM，具快閃存儲(chǔ)器的非揮發(fā)性特性，在容量密度及使用壽命上也不輸給DRAM，平均能耗遠(yuǎn)低于DRAM，未來(lái)極具成為真正通用型存儲(chǔ)器潛力。但由于采用了大量的新材料、新結(jié)構(gòu)，量產(chǎn)難度極大。

相變存儲(chǔ)器（PRAM）可在芯片供電中斷時(shí)保存數(shù)據(jù)，與普通閃存的工作原理相同。但PRAM寫(xiě)入數(shù)據(jù)的速度要比快閃存儲(chǔ)器快30倍，其壽命周期也將至少提高十倍。

相變存儲(chǔ)器是基于材料相變引起電阻變化的存儲(chǔ)器。結(jié)構(gòu)上有電阻加熱器和相變層所組成。通入重置（RESET）寫(xiě)電流后，電阻加熱器使得相變層溫度迅速升高，在達(dá)到相變層熔點(diǎn)后較短時(shí)間內(nèi)，關(guān)閉寫(xiě)電流，使得材料快速冷卻，此時(shí)固定在非晶態(tài)，為高阻態(tài)。為了使相變層材料重新回到晶態(tài)，需要通入設(shè)置（SET）電流，相變層需要被加熱到結(jié)晶溫度和熔化溫度之間，使得晶核和微晶快速生長(zhǎng)。目前相變層材料的研究集中在GST系合金。由于重置寫(xiě)電流較大，相變存儲(chǔ)器的功耗較高，另外寫(xiě)電流時(shí)間較長(zhǎng)，寫(xiě)速度較慢。尋找新型相變材料來(lái)降低寫(xiě)電流，同時(shí)加快寫(xiě)速度和減少熱擾動(dòng)成為急需解決的難題。

阻變存儲(chǔ)器（RRAM）同樣是一種新型的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，其優(yōu)點(diǎn)在于消耗電力較NAND低，且寫(xiě)入資訊速度比NAND快閃存儲(chǔ)器快了1萬(wàn)倍。

阻變存儲(chǔ)器作為最重要的下一代新型存儲(chǔ)器，近十幾年來(lái)受到高度關(guān)注。阻變存儲(chǔ)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高速、低功耗和易于三維集成等優(yōu)點(diǎn)。存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)為上電極和下電極之間的電阻變化層。根據(jù)電阻變化層的材料，阻變存儲(chǔ)器可分為氧化物阻變存儲(chǔ)器和導(dǎo)電橋接存儲(chǔ)器。前者研究較為廣泛，國(guó)際上已有數(shù)家公司展示了原型產(chǎn)品。

新一代存儲(chǔ)器道阻且長(zhǎng)

事實(shí)上，磁變存儲(chǔ)器（MRAM）、阻變存儲(chǔ)器（RRAM）與相變存儲(chǔ)器（PRAM）等技術(shù)并非近年來(lái)的產(chǎn)物，早在1990年代，就有廠商開(kāi)始投入研發(fā)，而促使新世代存儲(chǔ)器發(fā)展在近年來(lái)露出曙光的原因，正是進(jìn)入高速運(yùn)算時(shí)代，存儲(chǔ)器技術(shù)演進(jìn)速度出現(xiàn)跟不上系統(tǒng)效能演進(jìn)速度所導(dǎo)致。

1995年摩托羅拉公司演示了第一個(gè)MRAM芯片，并生產(chǎn)出了1MB的芯片原型。

2007年，磁記錄產(chǎn)業(yè)巨頭IBM公司和TDK公司合作開(kāi)發(fā)新一代MRAM，使用了一種稱為自旋扭矩轉(zhuǎn)換（spin-torque-transfer ， STT）的新型技術(shù)，利用放大了的隧道效應(yīng)（tunnel effect），使得磁致電阻的變化達(dá)到了1倍左右。TDK于2014年首次展出了自旋轉(zhuǎn)移力矩磁變存儲(chǔ)器的原型，容量為8Mb，讀寫(xiě)速度是當(dāng)時(shí)NOR的7倍多（342MB/sVS48MB/s）。

Everspin是目前唯一一家出售此類產(chǎn)品的公司，去年開(kāi)始可以提供密度高達(dá)256Mb的磁變存儲(chǔ)器樣品。

2000年以來(lái)，Intel、美光、ST都致力于相變存儲(chǔ)器的研發(fā)，美光于2012年宣布1Gb和512Mb的相變內(nèi)存的首次量產(chǎn)，但是可能替代閃存的大容量相變存儲(chǔ)器由于各種技術(shù)原因，目前尚未問(wèn)世。

2013年，松下發(fā)布了世界上第一個(gè)用于嵌入式應(yīng)用的阻變存儲(chǔ)器。它集成了一個(gè)180nm的阻變存儲(chǔ)器器件和一個(gè)8位控制器。

2015年初，Crossbar（美國(guó)）宣布其阻變存儲(chǔ)器開(kāi)始進(jìn)入商業(yè)化階段，初期準(zhǔn)備面向嵌入式市場(chǎng)，同時(shí)正加速進(jìn)行容量更大的下一代阻變存儲(chǔ)器研發(fā)，預(yù)計(jì)于2017年面世。目前Crossbar 阻變存儲(chǔ)器已經(jīng)制備了40nm產(chǎn)品并已經(jīng)向2x nm邁進(jìn)，實(shí)現(xiàn)更高密度和更緊密集成的的器件。

美光和索尼也在開(kāi)展阻變存儲(chǔ)器的聯(lián)合研發(fā)。從2007年起，每年半導(dǎo)體鄰域的幾個(gè)重要國(guó)際會(huì)議（如IEDM和VLSI）均會(huì)報(bào)道最新的研發(fā)進(jìn)展。2014年美光公布了27nm基于CMOS工藝制造的單顆容量16Gb阻變存儲(chǔ)器原型，但目前距離量產(chǎn)仍有較大距離。大規(guī)模量產(chǎn)的最大挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)較好的均勻性，提高產(chǎn)品良率和可靠性。另外，多位存儲(chǔ)的要求對(duì)電阻變化層的材料也提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。大規(guī)模提高阻變存儲(chǔ)器容量，需要材料和結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化和創(chuàng)新。

半導(dǎo)體巨頭下注新一代存儲(chǔ)器

除了高速運(yùn)算與數(shù)據(jù)中心的儲(chǔ)存需求以外，物聯(lián)網(wǎng)需要的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，也就是即時(shí)資料儲(chǔ)存需求，牽涉到物聯(lián)網(wǎng)需要低能耗、數(shù)據(jù)耐久度高、每次寫(xiě)入或存儲(chǔ)的資料單位小等層面。

全球半導(dǎo)體巨擘正在下一代新型存儲(chǔ)器市場(chǎng)展開(kāi)強(qiáng)力競(jìng)爭(zhēng)，這很可能全面改變半導(dǎo)體市場(chǎng)的發(fā)展前景，并成為未來(lái)半導(dǎo)體代工的主要業(yè)務(wù)之一。

雖然磁變存儲(chǔ)器（MRAM）在先前的技術(shù)節(jié)點(diǎn)展現(xiàn)了非揮發(fā)性、高可靠性以及可制造性，磁變存儲(chǔ)器在長(zhǎng)期看來(lái)會(huì)是較受歡迎的技術(shù)。但在微縮至2x nm節(jié)點(diǎn)以及相容嵌入式存儲(chǔ)器的后段制程（BEOL）溫度時(shí)開(kāi)始面臨挑戰(zhàn)。

阻變存儲(chǔ)器（RRAM）和磁變存儲(chǔ)器（MRAM）具有類似的功能，二者都是后段校準(zhǔn)的存儲(chǔ)器，因而能更易于落實(shí)于邏輯制程中。RRAM的堆疊更簡(jiǎn)單，因?yàn)樵陔姌O之間所需的材料較少。而且它并不需要像MRAM一樣的設(shè)備投資。

雖然阻變存儲(chǔ)器和相變存儲(chǔ)器等其他類型的存儲(chǔ)器也都有其支持者，但這些存儲(chǔ)器都存在著微縮的問(wèn)題，難以因應(yīng)28nm CMOS制程的要求。

三星電子正大力發(fā)展MRAM存儲(chǔ)器，而另一半導(dǎo)體巨擘英特爾則是強(qiáng)攻含3D XPoint技術(shù)的PRAM型存儲(chǔ)器。臺(tái)積電目前已具備「量產(chǎn)」MRAM及阻變存儲(chǔ)器（RRAM）等新型存儲(chǔ)器之技術(shù)。

嵌入式存儲(chǔ)器在半導(dǎo)體芯片中的作用非常重要，它向整個(gè)芯片提供的可互用特性決定了整個(gè)芯片的效率、速度和性能。只有設(shè)計(jì)方法可靠，才能設(shè)計(jì)出優(yōu)良的存儲(chǔ)器。

目前三星電子正大力發(fā)展eMRAM存儲(chǔ)器，三星的28nm FD-SOI（Fully Depleted Silicon on Insulator）制程有eMRAM 的選項(xiàng)，其中eMRAM的風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)為2018年；而18nm的FD-SOI制程的風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)將始于2020年，也有eMRAM的選項(xiàng)。歐洲最大半導(dǎo)體廠商-恩智浦半導(dǎo)體已經(jīng)決定采用三星電子的eMRAM存儲(chǔ)器，以應(yīng)用在相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)裝置之上。

臺(tái)積電發(fā)布在2018年下半年于28nm制程中生產(chǎn)eMRAM。而GlobalFoundries也發(fā)布，計(jì)劃在2017年于22nm FD-SOI制程上提供eMRAM，2018年進(jìn)入量產(chǎn)。

我國(guó)戰(zhàn)略布局新一代存儲(chǔ)器

雖然我國(guó)在傳統(tǒng)存儲(chǔ)器布局落后很多，但在下一代技術(shù)存儲(chǔ)器早已戰(zhàn)略布局。幾年前更有二十幾位中科院院士聯(lián)名支持發(fā)展MRAM。我國(guó)科研力量在未來(lái)存儲(chǔ)器的產(chǎn)業(yè)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)會(huì)扮演相當(dāng)重要的角色。

中科院上海微系統(tǒng)所就與中芯國(guó)際共同組建了研究團(tuán)隊(duì)，搭建起8至12英寸相變存儲(chǔ)研發(fā)平臺(tái)，并建立了一套完整的芯片開(kāi)發(fā)組織和技術(shù)推進(jìn)管理制度。2011年8月31日，首次完成我國(guó)第一批基于8Mb相變存儲(chǔ)器的產(chǎn)品芯片。目前由該所研發(fā)的國(guó)際領(lǐng)先的嵌入式相變存儲(chǔ)器現(xiàn)已成功應(yīng)用在打印機(jī)領(lǐng)域，并實(shí)現(xiàn)千萬(wàn)量級(jí)市場(chǎng)化銷售。

中科院微電子所集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心研究員趙超與北京航空航天大學(xué)教授趙巍勝的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)通過(guò)3年的艱苦攻關(guān)，在STT－MRAM關(guān)鍵工藝技術(shù)研究上實(shí)現(xiàn)了重要突破，在國(guó)內(nèi)首次采用可兼容CMOS工藝成功制備出直徑80nm磁隧道結(jié)，器件性能良好，其中器件核心參數(shù)包括隧穿磁阻效應(yīng)達(dá)到92％，可實(shí)現(xiàn)純電流翻轉(zhuǎn)且電流密度達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

我國(guó)目前有兩家MRAM公司，上海磁宇以及中電?？?。今年一月，中電?？滴挥谂R安的存儲(chǔ)芯片MRAM研發(fā)及小規(guī)模試產(chǎn)中試基地專案開(kāi)工，投資金額為13億人民幣，占地50畝，計(jì)劃今年9月投用；中試運(yùn)營(yíng)成功穩(wěn)定后，將彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)在新一代存儲(chǔ)芯片MRAM領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化的空白。

小結(jié)：磁變存儲(chǔ)器（MRAM）等下一代存儲(chǔ)器，雖然短期內(nèi)不太可能取代現(xiàn)有的存儲(chǔ)器，但我們?cè)谶@些技術(shù)研發(fā)上再不能錯(cuò)過(guò)機(jī)遇。我國(guó)已在下一代技術(shù)存儲(chǔ)器的戰(zhàn)略布局，使得我們未來(lái)可以參與到新一代存儲(chǔ)器競(jìng)爭(zhēng)行列中，避免國(guó)外廠商的全面壟斷。