2023年ReRAM技術(shù)開始進(jìn)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(jì)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(jì)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(bào)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(shí)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(jī)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(fèi)、汽車、工業(yè)、電信和醫(yī)療應(yīng)用的高壓設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的功能集成度加快。從歷史上看，與數(shù)字設(shè)計(jì)（如 130 納米和 180 納米）相比，此類模擬/混合信號設(shè)計(jì)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(jì)正在轉(zhuǎn)向更先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)，從而有可能進(jìn)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(jì)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(jì)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(jì)向更小的工藝節(jié)點(diǎn)（最終為 28 納米和 22 納米）擴(kuò)展，這些設(shè)備的 NVM 必須能夠與其他片上組件一起擴(kuò)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(jì)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(diǎn)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?cái)U(kuò)展到高級幾何結(jié)構(gòu)，但每一種技術(shù)也都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。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?yàn)樗窃?BEOL 集成的，所以每個工藝節(jié)點(diǎn)可以采用一次 ReRAM，然后它將適用于所有節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)行設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)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(jìn)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(xiàng)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(dá)到 3.92 億美元，但最終從未盈利，這就是英特爾退出這項(xiàng)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(jī)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(diǎn)。此外，以下每一項(xiàng)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(kuò)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(jī)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(jì)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(jìn)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?yàn)?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?yàn)樗鼈兒苋菀孜廴疽粋€工廠。幸運(yùn)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(dú)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?yàn)樗鼈円彩褂每勺冸娮鑱碇甘緝?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(diǎn)單元中以進(jìn)行堆疊。它也有望用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樗梢詫⒕€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?yàn)槿魏渭夹g(shù)問題。所有這些存儲器都提供了重要的價值，因?yàn)樗鼈兌际欠且资缘?，并且?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(dá)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(jī)從 NOR 加 SRAM 到 NAND 加 DRAM 的戲劇性轉(zhuǎn)變更清楚地說明這一點(diǎn)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(xiàng)技術(shù)以小批量運(yùn)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(jì)，任何新技術(shù)都必須達(dá)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(dá)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(shí)現(xiàn)足夠高的規(guī)模以實(shí)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(jì)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(jì) 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(jì)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(bào)告《新興存儲器進(jìn)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(kuò)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?yàn)?SRAM 也將停止擴(kuò)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(dá)到自己的終點(diǎn)。

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(xiàng)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(cái)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(dá)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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