新興存儲(chǔ)技術(shù)的詳細(xì)知識(shí)分析

當(dāng)下，新興存儲(chǔ)技術(shù)越來(lái)越受到業(yè)界的矚目，如PCM、MRAM、ReRAM、FRAM等存儲(chǔ)器已經(jīng)蟄伏待機(jī)了幾十年，以尋求適合其自身特點(diǎn)的應(yīng)用機(jī)會(huì)，今天看來(lái)它們的機(jī)會(huì)真的到來(lái)了。

實(shí)際上，在以上提到的幾種存儲(chǔ)類型中，有一些已經(jīng)批量生產(chǎn)了，且這些芯片也帶來(lái)了較好的銷售收入。隨著先進(jìn)的邏輯處理制程節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)復(fù)雜的處理器和ASIC采用新興的、具有持久存儲(chǔ)能力的技術(shù)，市場(chǎng)有望出現(xiàn)顯著轉(zhuǎn)變。與此同時(shí)，業(yè)界大佬英特爾已開(kāi)始積極推廣其新的3D XPoint存儲(chǔ)器，用作高級(jí)計(jì)算的非易失性內(nèi)存。SNIA(Storage Networking Industry Association)、JEDEC和其他標(biāo)準(zhǔn)組織，以及Linux社區(qū)和主要軟件公司正在努力建立必要的標(biāo)準(zhǔn)和生態(tài)系統(tǒng)，以支持這些新存儲(chǔ)技術(shù)的持久性發(fā)展。

本文將從多個(gè)角度審視新興存儲(chǔ)器技術(shù)，并預(yù)測(cè)這些技術(shù)如何改變芯片市場(chǎng)。

新興存儲(chǔ)技術(shù)存在的必要性

業(yè)界存在著這樣一個(gè)疑問(wèn)：既然基于硅的存儲(chǔ)技術(shù)一直是優(yōu)選方案，為什么還要去研究非硅基存儲(chǔ)器呢?有改變的必要嗎?

其實(shí)，這個(gè)問(wèn)題并不難回答。

硅存儲(chǔ)器技術(shù)得益于它們始終采用與生產(chǎn)CMOS邏輯芯片幾乎相同的工藝技術(shù)，可以利用存儲(chǔ)器和邏輯工藝共同開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)。實(shí)際上，在20世紀(jì)80年代中期之前，邏輯和存儲(chǔ)制程是相同的。直到那時(shí)，存儲(chǔ)市場(chǎng)才變得足夠大(超過(guò)50億美元/年)，它可以支持任何額外的制程工藝開(kāi)發(fā)。

即便如此，存儲(chǔ)芯片的制程工藝和邏輯制程一直沒(méi)有大的區(qū)別，存儲(chǔ)器和邏輯芯片之間的這種協(xié)同作用可繼續(xù)降低制程工藝的開(kāi)發(fā)成本。

幾乎所有新興存儲(chǔ)器技術(shù)都使用了未用于邏輯制程的新材料，因此它們不會(huì)從這種協(xié)同作用中受益。與硅相比，這些新材料并未得到很好的理解，而缺乏理解會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量問(wèn)題。

那今，為什么新興存儲(chǔ)技術(shù)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)取得快速發(fā)展呢?

考慮到NAND閃存演進(jìn)到3D的原因是平面浮動(dòng)?xùn)艠O(NAND和NOR閃存的基本位單元)不能縮小到低于15nm。這是所有NAND閃存制造商將平面技術(shù)轉(zhuǎn)換為3D的主要原因。

眼下，半導(dǎo)體行業(yè)最先進(jìn)的邏輯工藝已經(jīng)微縮到10nm以下，現(xiàn)在，臺(tái)積電已經(jīng)開(kāi)始量產(chǎn)7nm芯片了。基于這些邏輯制程工藝構(gòu)建的SoC將通過(guò)包含固件的非易失性存儲(chǔ)器受益，但存儲(chǔ)器需要在15nm工藝上生成。采用7nm邏輯制程和15nm閃存的芯片，可能不如使用15nm工藝的邏輯和存儲(chǔ)器芯片。從這個(gè)角度來(lái)看，似乎不可避免地需要一些新技術(shù)來(lái)使非易失性存儲(chǔ)器繼續(xù)隨邏輯芯片同步發(fā)展。

如果為邏輯芯片開(kāi)發(fā)新的存儲(chǔ)技術(shù)，那么開(kāi)發(fā)的工藝技術(shù)可以應(yīng)用于獨(dú)立的存儲(chǔ)器芯片，而且成本非常適中。這意味著分立式新興存儲(chǔ)芯片市場(chǎng)也可能有大發(fā)展。但是，這種情況下還有其他因素在起作用，具體內(nèi)容下文會(huì)有介紹。

人們已經(jīng)花費(fèi)了相當(dāng)大的努力來(lái)開(kāi)發(fā)新的存儲(chǔ)器，以便一旦突破其在15nm處的擴(kuò)展限制，就取代NAND。然而，NAND閃存開(kāi)發(fā)商卻通過(guò)轉(zhuǎn)向3D來(lái)設(shè)法找到解決問(wèn)題的方法，這使得新技術(shù)很難在短時(shí)間內(nèi)攻克NAND市場(chǎng)。因此，新興存儲(chǔ)器公司已經(jīng)轉(zhuǎn)移了他們的注意力，寄希望于即將出現(xiàn)的DRAM擴(kuò)展，可能是因?yàn)槠渲瞥涛⒖s到10nm以下，將為他們的技術(shù)開(kāi)辟一個(gè)重要的市場(chǎng)。這確實(shí)可能發(fā)生，DRAM開(kāi)發(fā)人員表示，他們?nèi)匀挥性S多路徑可以進(jìn)一步擴(kuò)展，而不需要MRAM等新興的存儲(chǔ)技術(shù)。

從今天的角度來(lái)看，新興存儲(chǔ)器技術(shù)可能首先作為邏輯SoC的嵌入式存儲(chǔ)器，一部分先實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，隨后演進(jìn)成為分立存儲(chǔ)器市場(chǎng)的重要組成部分。

位選擇器

在介紹和定義所有新興存儲(chǔ)技術(shù)之前，我們需要先了解一下位選擇器(bit selectors)這個(gè)概念，原因是要用位選擇器來(lái)確定可以獲得多小的位單元，這是新存儲(chǔ)技術(shù)總成本的一個(gè)非常重要的考量因素和組成部分。成本非常重要，因?yàn)闆](méi)有系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員會(huì)使用過(guò)于昂貴的組件。

或許您從未聽(tīng)說(shuō)過(guò)選擇器，其實(shí)它并不復(fù)雜，下面具體解釋一下。

存儲(chǔ)芯片中的每個(gè)位單元都需要一個(gè)選擇器，它將位單元的內(nèi)容路由到總線上，通過(guò)總線連接芯片的引腳，允許讀取或?qū)懭?。位單元技術(shù)決定著選擇器的類型：SRAM使用兩個(gè)晶體管，DRAM使用一個(gè)晶體管，閃存將晶體管與位單元連接起來(lái)，以便晶體管存儲(chǔ)該位并進(jìn)行選擇操作。

新興存儲(chǔ)技術(shù)使用的選擇器比當(dāng)今領(lǐng)先的存儲(chǔ)技術(shù)所需的簡(jiǎn)單很多，它們可以使用雙端選擇器或三端選擇器，電路如下圖所示，可以看到兩者之間沒(méi)有太大區(qū)別。在這兩種情況下，選擇器通過(guò)用晶體管將其關(guān)閉來(lái)控制通過(guò)位單元的電流，或者當(dāng)電流通過(guò)二極管反轉(zhuǎn)時(shí)將其關(guān)閉。

下面介紹一下選擇器的基本原理。

第一個(gè)是電阻式RAM(ReRAM)陣列，下圖是其簡(jiǎn)單的俯視圖。每個(gè)位單元由字線和位線的交叉點(diǎn)表示(此圖已經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，未顯示選擇器)，字線提供電流以選擇要讀取或?qū)懭肽囊恍形?。位線讀取該字線上的位，或者它允許施加到位線的電流對(duì)該位進(jìn)行編程。

位可以處于高阻態(tài)或低阻態(tài)，這里使用紅色表示高電阻狀態(tài)，綠色表示低電阻狀態(tài)，在這些狀態(tài)下，要么電流停止流動(dòng)，要么允許電流通過(guò)。

如下圖所示，我們現(xiàn)在假設(shè)沒(méi)有選擇器。如果一個(gè)位置于低電阻狀態(tài)，且其字線(藍(lán)色)通電(激活)，則電流從字線通過(guò)位線(綠色)流向綠色單元。沒(méi)有其它位線接收電流，因?yàn)樗鼈兊乃形粏卧继幱诟咦钁B(tài)(紅色)。

如果激活任何其他字線，則沒(méi)有電流流入任何位線，因?yàn)樗衅渌鼏卧际羌t色，這意味著它們處于高電阻狀態(tài)。

但是，當(dāng)其它位處于低電阻狀態(tài)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。具體如下圖所示。

沿著位線向下流動(dòng)的輸出電流也可以沿著位線向上流動(dòng)到處于低電阻狀態(tài)的另一個(gè)單元，如圖中的條紋箭頭表示。該低電阻位允許電流向后流到另一個(gè)字線，并且該字線上的任何位都可以將該錯(cuò)誤電流引導(dǎo)到其自己的位線上。

想象一下，該圖具有1,024 x 1,024陣列的位，并且這些位被隨機(jī)編程為50/50混合的低電阻和高電阻狀態(tài)。在不使每一個(gè)位線輸出電流的情況下，任何字線都不可能通電!

選擇器的作用就是要確保不會(huì)發(fā)生以上情況。二極管可以與位單元串聯(lián)，以防止反向電流流到其它字線上。在一些新興存儲(chǔ)技術(shù)中，二極管可以放在位單元的正下方，使它根本不占用空間(在Crossbar公司的設(shè)計(jì)中，選擇器實(shí)際上是位單元存儲(chǔ)機(jī)制的一個(gè)功能，相關(guān)的白皮書(shū)中對(duì)此進(jìn)行了詳盡的解釋)。

然而，大多數(shù)存儲(chǔ)器不能使用二極管作為選擇器，因?yàn)殡娏鞅仨氹p向通過(guò)單元。這在下文有具體說(shuō)明。目前，業(yè)界仍在進(jìn)行大量的研究工作，以開(kāi)發(fā)良好的雙向選擇器，其在低電壓下表現(xiàn)得像二極管，在較高電壓下表現(xiàn)為電阻器。但在大多數(shù)情況下，使用晶體管要容易得多，如上面三端選擇器原理圖所示。

但是，晶體管選擇器需要大量空間，因?yàn)樽志€和源線必須跨陣列運(yùn)行。通過(guò)下圖可以粗略地了解一下它的工作原理。

由于每條字線都有一條源線相隨，因此，與雙端配置一樣，半字線將適合給定區(qū)域。這使得存儲(chǔ)器成本大約是雙終端選擇器的兩倍。

從事新興存儲(chǔ)技術(shù)的開(kāi)發(fā)人員會(huì)對(duì)能夠通過(guò)二極管進(jìn)行選擇的技術(shù)感到非常興奮，這是一種可以減小尺寸和成本的方法，因?yàn)樾酒某杀九c其面積成正比。不幸的是，大多數(shù)新興存儲(chǔ)技術(shù)需要正向電流寫(xiě)入和反向電流擦除，因此簡(jiǎn)單的二極管將無(wú)法工作。業(yè)界正在開(kāi)發(fā)雙向選擇器，但另一個(gè)問(wèn)題會(huì)妨礙它們，是什么呢?下文會(huì)討論到。

PCM似乎在這方面具有優(yōu)勢(shì)。正如將在下文解釋的那樣，PCM編程并用正向電流擦除，因此只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的二極管作為PCM單元的選擇器。英特爾Fellow Al Fazio是3D XPoint 存儲(chǔ)技術(shù)的教父，他在3D XPoint發(fā)布前兩年宣傳了這一觀點(diǎn)。然而，這似乎還不夠，需要更多的東西。

選擇器很難做到絕對(duì)正確。當(dāng)3D XPoint于2015年首次推出時(shí)，Micron的Scott deBoer表示，您可以用幾乎任何材料制作ReRAM的位單元，但選擇器卻是個(gè)棘手問(wèn)題。

那么雙向選擇器有什么用呢?如果選擇器的“開(kāi)”與“關(guān)”電阻的比率為100：1，并且有100條通往位線的潛行路徑，那么來(lái)自100條潛行路徑的電流將等于來(lái)自合法路徑的電流。在大型陣列中，這幾乎肯定會(huì)發(fā)生。選擇器必須具有更好的執(zhí)行能力。然而，在大多數(shù)情況下，晶體管提供更好的開(kāi)/關(guān)比，并且允許雙向電流通過(guò)，因此它就成為了必要的“惡魔”。

所有這些都是為了解釋選擇器對(duì)存儲(chǔ)器陣列面積有顯著影響，且陣列的成本與其面積成正比。因此，與必須使用三端選擇器的存儲(chǔ)器相比，可以使用具有雙端選擇器的存儲(chǔ)器，這樣更有機(jī)會(huì)與現(xiàn)有成熟的存儲(chǔ)器競(jìng)爭(zhēng)。

MRAM/ReRAM/PCM/XPoint/FRAM誰(shuí)主沉浮?

PCM：也稱為PRAM，相變存儲(chǔ)器技術(shù)基于在正常環(huán)境溫度下無(wú)定形或結(jié)晶的材料。晶態(tài)具有低電阻，非晶態(tài)具有高電阻。

在化學(xué)和物理學(xué)中，任何無(wú)定形的物質(zhì)都被稱為液態(tài)或氣態(tài)。固態(tài)，液態(tài)和氣態(tài)也稱為“相位”。相變存儲(chǔ)器的名稱源于位單元在晶相和非晶相之間切換的結(jié)果。

自20世紀(jì)60年代開(kāi)始研究以來(lái)，PCM 于2006年首次出貨。該技術(shù)通?；诹?qū)倩锊Ａ?chalcogenide glasses)，英特爾/美光聯(lián)合開(kāi)發(fā)的3D XPOINT內(nèi)存就是基于PCM的。PCM的最大優(yōu)勢(shì)是：它可以使用簡(jiǎn)單的2端二極管，而不是雙向器件進(jìn)行選擇，因?yàn)樵谠O(shè)置、復(fù)位或讀取位時(shí)電流的運(yùn)行方向相同。

MRAM：磁性RAM基于巨磁阻(GMR)，其自20世紀(jì)90年代初以來(lái)一直用于HDD記錄頭。當(dāng)多層GMR堆疊的某些層在相同方向上被磁化時(shí)，另一層將表現(xiàn)為低電阻。當(dāng)它們以相反方向磁化時(shí)，層的電阻會(huì)很高。這種磁化可以通過(guò)導(dǎo)線周圍的場(chǎng)(Toggle Mode MRAM)產(chǎn)生，也可以通過(guò)使正向或反向電流通過(guò)位單元(Spin-Tunnel Torque或STT MRAM)來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前，這兩種產(chǎn)品都有出貨。

MRAM已經(jīng)獲得了大量投資，這產(chǎn)生了許多STT MRAM變體，包括垂直STT、過(guò)程自旋扭矩、旋轉(zhuǎn)軌道扭矩(SOT)等。盡管迄今為止所有設(shè)備都使用了三端選擇器，但最近的研究表明，未來(lái)幾年可能會(huì)使用雙端選擇器。

ReRAM：電阻式RAM有許多名稱，ReRAM、RRAM和Memristor是最常見(jiàn)的。ReRAM最廣泛的定義包括使用電阻存儲(chǔ)元件的任何存儲(chǔ)器; 包括PCM和MRAM。為了將它們區(qū)分開(kāi)來(lái)，這里的ReRAM是任何非PCM或MRAM的、基于電阻的存儲(chǔ)技術(shù)。

大多數(shù)ReRAM中的位設(shè)置/復(fù)位機(jī)制涉及金屬絲或氧空位的產(chǎn)生和消除：原子實(shí)際上在器件內(nèi)移動(dòng)。這自然會(huì)導(dǎo)致磨損，但研究人員認(rèn)為這種磨損可以大大低于NAND閃存。該過(guò)程使用正向和反向電流，這有時(shí)使得三端子選擇器比雙端子選擇器更容易使用。但是，某些ReRAM可以與雙端選擇器配合使用，某些變體甚至可以在位單元內(nèi)執(zhí)行選擇。這使得它們?cè)趩螌又惺褂脮r(shí)是經(jīng)濟(jì)的，并且允許它們?cè)诙鄬又袠?gòu)造以進(jìn)一步降低成本。

雖然大多數(shù)ReRAM使用新材料，但一些公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出可以使用已經(jīng)用于大批量芯片生產(chǎn)的成熟材料制造。目前，某些ReRAM已經(jīng)批量出貨。

FRAM：鐵電存儲(chǔ)器，F(xiàn)RAM或FeRAM，但它并不使用鐵，這項(xiàng)技術(shù)之所以這樣命名，是因?yàn)樗臋C(jī)制與鐵被磁化和去磁時(shí)的機(jī)制十分類似。在一個(gè)方向上的電流將使FRAM單元內(nèi)的原子轉(zhuǎn)移到分子的一端，反向電流將它們轉(zhuǎn)移到另一端。

FRAM通常不是電阻存儲(chǔ)器。今天生產(chǎn)的FRAM使用破壞性讀取機(jī)制，其向單元施加寫(xiě)入電壓。如果電流流動(dòng)，則意味著原子從單元的一端移動(dòng)到另一端，并且單元處于擦除狀態(tài)。如果沒(méi)有電流流動(dòng)，則原子已經(jīng)在電池的那一端。如果讀取操作導(dǎo)致原子移動(dòng)，則在讀取單元格之后必須將該原子恢復(fù)到原始位置。

最近的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RAM可以使用氧化鉿制成，氧化鉿是一種廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體工廠的材料。這是FRAM區(qū)別于其他新興存儲(chǔ)技術(shù)的決定性優(yōu)勢(shì)。目前的FRAM使用三端選擇器，這對(duì)其承載能力有一定限制。

其他技術(shù)：NRAM由碳納米管，石墨烯存儲(chǔ)器，導(dǎo)電電子RAM(CeRAM)和上述技術(shù)的變體制成，如聚合物鐵電體，鐵電隧道結(jié)(FTJ)，鐵電FET(FeFET)，界面PCM(iPCM，也稱為Superlattice PCM或TRAM)，磁電RAM(MeRAM)，Racetrack Memory等等。

綜上，當(dāng)DRAM和NAND閃存無(wú)法繼續(xù)降低成本時(shí)，所有新技術(shù)都會(huì)爭(zhēng)奪下一代存儲(chǔ)市場(chǎng)地位，但在此之前必須克服諸多技術(shù)和應(yīng)用障礙。

新存儲(chǔ)材料研究

新興存儲(chǔ)器的研發(fā)，必須進(jìn)行大量的測(cè)試，以準(zhǔn)確研究這些新技術(shù)和材料的性能。如果使用一批300mm晶圓進(jìn)行單次測(cè)試，特別是如果不能在該晶圓上運(yùn)行其它測(cè)試的話，成本會(huì)大幅增加。

另一個(gè)很大的困難是大多數(shù)存儲(chǔ)器制造商在非常高效和大批量的晶圓廠運(yùn)行晶圓，要中斷生產(chǎn)過(guò)程以注入一批測(cè)試晶圓是危險(xiǎn)和浪費(fèi)的。大多數(shù)晶圓廠管理人員都不愿改變流程來(lái)接受實(shí)驗(yàn)。

那么，可以采取哪些措施來(lái)改善這種狀況呢?

Intermolecular, Inc. (IMI)公司有一個(gè)解決方案，他們已經(jīng)建立了一個(gè)小晶圓廠，允許單個(gè)晶圓以跨越單個(gè)晶圓變化的參數(shù)進(jìn)行處理。以這種方式，一個(gè)晶圓可以同時(shí)進(jìn)行36個(gè)或更多個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)。這顯然比在36片晶圓上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)更為經(jīng)濟(jì)。

該公司稱自己為 研發(fā)外包公司。

一些讀者可能已經(jīng)猜到：這將需要特殊的工具。標(biāo)準(zhǔn)晶圓處理工具旨在為半導(dǎo)體晶圓的整個(gè)表面提供絕對(duì)一致的處理結(jié)果，IMI修改了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工具，允許研究人員在晶圓上的不同區(qū)域以受控方式改變參數(shù)。這不僅大大降低了實(shí)驗(yàn)成本，還加速了工藝，將其縮短到標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體加工設(shè)施所需時(shí)間的一小部分。IMI聲稱這種方法可以加速篩查10~100次。

如上圖所示，晶片被分成若干個(gè)“斑點(diǎn)”。根據(jù)實(shí)驗(yàn)之前的決定，每個(gè)斑點(diǎn)的制程都與晶圓上的任何其他斑點(diǎn)略有不同，允許在同一晶圓上表征許多變量。下圖所示為這種特征的樣本圖。

在新興存儲(chǔ)技術(shù)中，大多數(shù)位單元構(gòu)建在兩個(gè)金屬互連層之間，這兩個(gè)金屬互連層在生產(chǎn)過(guò)程中很晚才形成。這意味著客戶可以使用自己的工具來(lái)處理晶圓上的所有常規(guī)CMOS邏輯層，然后將其發(fā)送給IMI，以沉積最終金屬層和這些金屬層之間的位層。

IMI公司表示，他們正在表征的一些材料是MRAM，F(xiàn)RAM，無(wú)電容DRAM，F(xiàn)TJ(鐵電隧道結(jié))，相變存儲(chǔ)器(PCM)，硫?qū)倩?，TRAM(拓?fù)溟_(kāi)關(guān)RAM)，界面相變存儲(chǔ)器(iPCM)，相關(guān)電子RAM(CeRAM)和ReRAM。

IMI還在致力于其他非存儲(chǔ)器項(xiàng)目的研究，包括量子計(jì)算器件，標(biāo)準(zhǔn)HKMG邏輯(高k金屬柵極)，光伏和LED，甚至窗玻璃涂層(coatings for window glass)。

該公司官員表示，IMI已經(jīng)進(jìn)行了1,800多次實(shí)驗(yàn)，并對(duì)225種新材料進(jìn)行了分類。

位于圣何塞的IMI是仍然存在于硅谷的極少數(shù)晶圓廠之一，另外還有應(yīng)用材料的Maydan技術(shù)中心，Thinfilm工廠和Lam Research的培訓(xùn)工廠。Apple于2015年從Maxim Integrated購(gòu)買了一個(gè)完全式調(diào)試(fully-tooled)工廠，但不能確定它是否仍在使用。

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了諸多新興存儲(chǔ)技術(shù)，以及這些技術(shù)對(duì)于應(yīng)用和市場(chǎng)的價(jià)值，還重點(diǎn)探討了它們的位選擇器，此外，還舉例說(shuō)明了新存儲(chǔ)材料及批量生產(chǎn)情況。但這些并不是全部。之后的文章，我們還將探討這些新興存儲(chǔ)技術(shù)對(duì)于工藝和生產(chǎn)設(shè)備提出的要求和挑戰(zhàn)，并將詳細(xì)介紹新興的存儲(chǔ)器企業(yè)，還會(huì)對(duì)未來(lái)市場(chǎng)做出預(yù)測(cè)。敬請(qǐng)期待。