新型存儲器結(jié)合了SRAM的速度和Flash的優(yōu)勢，看看未來有哪些存儲器興起

隨著許多新技術(shù)的涌現(xiàn)，下一代存儲器市場正在升溫，但將這些產(chǎn)品引入主流市場仍面臨一些挑戰(zhàn)。

多年來，該行業(yè)一直致力于各種存儲技術(shù)的研究，包括碳納米管RAM、FRAM、MRAM、相變存儲器和ReRAM。有些已推出，有些仍在研發(fā)中。這些不同類型的存儲器都對應(yīng)特定的應(yīng)用領(lǐng)域，但都勢必將在存儲器家族中取代一個或者多個傳統(tǒng)型存儲。

在這個層次結(jié)構(gòu)的第一層中，SRAM集成到處理器中以支持快速數(shù)據(jù)訪問。層次結(jié)構(gòu)中的下一層DRAM用于主存儲器。磁盤驅(qū)動器和基于NAND的固態(tài)硬盤(SSD)則用于信息存儲。（如下圖）

圖1：存儲器層次結(jié)構(gòu)-dram/SRAM和Flash具有相反的特性，這些特性令存儲類存儲器能填補空白

當(dāng)前的存儲器能夠正常運作，但是它們正在努力跟上系統(tǒng)中數(shù)據(jù)和帶寬需求的激增。例如，DRAM速度快但耗電量大，而NAND和硬盤驅(qū)動器既便宜但運行速度較慢。

這彰顯了下一代存儲器的用武之地。新型存儲器結(jié)合了SRAM的速度和Flash的非易失性和良好的耐久性。這些技術(shù)擁有出色的規(guī)格，但它們要么遲遲未出現(xiàn)，要么效能不盡人意。

事實上，將許多新型存儲器投入大規(guī)模生產(chǎn)一直是一個難題。它們依賴新型材料和轉(zhuǎn)換機制，也難以制造或者運行，同時價格也非常昂貴。

總而言之，新型存儲器仍然是利基產(chǎn)品，但是有很明顯的進展。例如，英特爾正在持續(xù)推進名為3D XPoint的下一代存儲器。緊接著，GlobalFoundries、三星(Samsung)、臺積電(TSMC)和聯(lián)華電子(UMC)正在為嵌入式市場開發(fā)新的存儲器類型。有分析認(rèn)為，“真正重要的是，邏輯晶圓廠正在為嵌入式存儲器開發(fā)MRAM和resistance RAM。對于獨立的存儲器市場來說，成本很高。只有愿意投入巨大成本的人才會考慮?！?/p>

因此，傳統(tǒng)存儲器仍然是市場上的主流產(chǎn)品，但新型存儲器也為我們提供了一些選擇。

3D XPoint的興起

3D XPoint的興起已經(jīng)持續(xù)一段時間，下一代存儲器還在升級。每一種新型存儲器都會被宣稱它們性能比傳統(tǒng)存儲器更優(yōu)越。

不過，至少目前來說，新的存儲器不可能取代DRAM、Flash和SRAM。

這一切都?xì)w結(jié)于性能、容量與成本。舉個例子，指定存儲器的單元格大小等于特特征尺寸（F）乘以4的平方。最小的單元格大小是4F2。最新的3D NAND包含每個單元儲存4個數(shù)據(jù)（QLC），理論上可以轉(zhuǎn)換為1F2的單元大小。

但是，“如果它想取代NAND，就必須比1F2更便宜。據(jù)我所知，我們在有生之年不會看到這種情況。”身為存儲器專家的Nantero公司董事會成員Ed Doller如是說道。

同理，若要取代DRAM，新的存儲器類型必須更便宜，而且必須在它周圍有一個完整的基礎(chǔ)設(shè)施，比如DRAM兼容的接口和控制器。

那如果新的存儲器類型不會取代傳統(tǒng)的技術(shù)，那么它們適合應(yīng)用在哪些地方？Lam Research高級技術(shù)總監(jiān)Alex Yoon曾在一篇博客中寫道，“云計算和最新的移動產(chǎn)品等應(yīng)用正在推動對新型存儲器的需求，這些新型存儲器將DRAM的速度與NAND更高的比特密度以及更低的成本結(jié)合起來?！睘榱诉_(dá)到這些標(biāo)準(zhǔn)，科研人員正在探索一些新技術(shù)。有些公司瞄準(zhǔn)的是嵌入式應(yīng)用，比如系統(tǒng)級芯片(system-on-chips,SoCs)，而另一些公司則專注于存儲類存儲器空間。

目前，新型存儲器已經(jīng)開拓了現(xiàn)在的存儲器無法滿足的利基市場，甚至還從DRAM和Flash那里搶占了一些市場，但目前還不清楚這種新型存儲器是否會成為主流技術(shù)。

目前為止，依然沒有一種能夠滿足所有需求的新型存儲技術(shù)。因此，隨著時間的推移，客戶可能會使用一種或多種存儲器技術(shù)?！八鼈兪歉偁庩P(guān)系，功能存在重疊，但是它們在市場上都有屬于各自的一席之地?！盧eRAM供應(yīng)商Crossbar的營銷和業(yè)務(wù)開發(fā)副總裁Sylvain Dubois表達(dá)了他的觀點。

圖片2：存儲器層次結(jié)構(gòu)

但值得一提的是，有一項技術(shù)正在進展中。市場的一個重大變化是3D XPoint的崛起，這是英特爾(Intel)和美光(Micron)開發(fā)的下一代技術(shù)。

當(dāng)3D XPoint在2015年正式推出時，它被稱為是一種介于DRAM和NAND之間的存儲技術(shù)。它的速度和耐久性都是NAND的1000倍。

然而，實際上3D XPoint的推出被延遲了，并且沒有達(dá)到那些標(biāo)準(zhǔn)。不過，分析認(rèn)為，“3D XPoint可能被過度炒作了。但3D XPoint仍然是相當(dāng)驚人的，其盈利將超過所有其他非易失性存儲器的總和。”

事實上，在幾次延遲之后，英特爾正在升級基于3D XPoint的SSD和其他產(chǎn)品。最終，英特爾將把這項技術(shù)用于服務(wù)器里的DIMM。基于3D XPoint，英特爾將擁有速度最快、耐久性最高的SSD。

有數(shù)據(jù)顯示，到2020年，3D XPoint的收入預(yù)計將達(dá)到15億美元。相比之下，MRAM在2017年的銷售額為3600萬美元。其他新型存儲器的營收則少到不容易被注意。但相比DRAM和NAND，新型存儲器的營收仍然顯得蒼白無力。

與此同時，3D XPoint是基于一種叫做相變存儲器(PCM)的技術(shù)。PCM以非晶相和晶體相存儲信息。它可以通過外部電壓進行可逆切換。

基于雙層堆疊結(jié)構(gòu)，3D XPoint采用20nm幾何尺寸，具有128千兆位的密度。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，其讀取延遲大約為125ns，持續(xù)時間為200K。

圖片3：3D XPoint架構(gòu)

這項技術(shù)速度很快，但并沒有達(dá)到NAND的1000倍。它的成本也比NAND高得多，這不是DRAM的替代品，它在某些程度上為DRAM提供了補充。

3D XPoint的下一步是什么？最大的機遇在于DIMM的空間。英特爾的DIMMs由將會集成3D XPoint和DRAM，并利用3D XPoint的性能特點來優(yōu)化處理器和架構(gòu)。

不過，這項技術(shù)的未來仍不確定。英特爾和美光正在分別開發(fā)3D NAND和3D XPoint。正如之前宣布的，兩家公司將完成目前兩類產(chǎn)品的開發(fā)，然后獨立開發(fā)這些技術(shù)。目前還不清楚美光是否會推出3D XPoint產(chǎn)品。迄今為止，美光還沒有推出3D XPoint產(chǎn)品，因為這項技術(shù)似乎與其DRAM和NAND產(chǎn)品存在競爭。

顯然，英特爾有資源獨自開發(fā)3D XPoint。但問題是，英特爾是否會利用這項技術(shù)收回其大規(guī)模的研發(fā)投資。

與此同時，這行業(yè)還在開發(fā)其他新的存儲器，如MRAM和ReRAM。與3D XPoint一樣，MRAM和ReRAM可以作為獨立產(chǎn)品進行生產(chǎn)和銷售。

3D XPoint不是作為嵌入式存儲器出售的。相比之下，MRAM和ReRAM可以用于嵌入式存儲市場。

對于MRAM，該行業(yè)正在開發(fā)下一代技術(shù)，稱為自旋傳遞轉(zhuǎn)矩MRAM(STT-MRAM)。STT-MRAM利用電子自旋的磁性為芯片提供非揮發(fā)性特性。它結(jié)合了SRAM的速度和Flash的非波動性，具有無限的持久性。

圖片4：STT-MRAM存儲單元

在傳統(tǒng)存儲器中，數(shù)據(jù)以電荷的形式存儲。相比之下，MRAM使用一個磁隧道結(jié)(MTJ)存儲單元作為存儲單元。

MTJ由一個存儲器堆棧組成，它可以為給定的應(yīng)用程序重新配置。但在調(diào)優(yōu)MTJ堆棧時，在持久度、數(shù)據(jù)保留和寫入脈沖寬度方面存在一些權(quán)衡。在MTJ堆棧的設(shè)計中，存在固有的權(quán)衡。例如，你可以通過放棄數(shù)據(jù)保留來優(yōu)化棧的耐久性，反之亦然。

這允許人們以不同的方式處理不同的應(yīng)用。例如，如果你正在執(zhí)行嵌入式MRAM，并且正在嘗試構(gòu)建一個用于代碼存儲的嵌入式NVM，那么提高數(shù)據(jù)保留和放棄持久性的能力則非常適合這個應(yīng)用。

迄今為止，Everspin是唯一一家基于STT-MRAM的獨立部件的公司。Everspin已經(jīng)推出一款基于40nm制程的256兆比特器件，目前正在研制一款28nm制程的1gb器件。Avalanche、Crocus、三星、東芝、SK Hynix、Spin Transfer等公司仍在研發(fā)STT-MRAM，但尚未投產(chǎn)。

嵌入式MRAM的發(fā)展勢頭正在增強。GlobalFoundries、三星(Samsung)、臺積電(TSMC)和聯(lián)華電子(UMC)正在為代工客戶開發(fā)28nm/22nm的嵌入式MRAM。

在嵌入式市場中，行業(yè)使用微控制器(MCUs)。MCUs在同一芯片上集成了多個組件，如CPU、SRAM、嵌入式存儲器和外設(shè)。嵌入式存儲器(如NOR Flash)用于代碼存儲。

基于40nm及以上的嵌入式或Nor Flash的MCU處于出貨階段。目前，該行業(yè)正在研發(fā)28nm制程的MCU，16nm/14nm制程芯片。

問題是，在28nm及更大范圍內(nèi)擴展嵌入式Flash是很困難的。UMC產(chǎn)品營銷總監(jiān)David Hideo Uriu說道，“許多人認(rèn)為28nm/22nm制程將是eFlash的終結(jié)，不是因為可擴展性的限制，而是因為經(jīng)濟障礙?！薄澳隳軐⑶度胧紽lash擴展到28nm以上嗎？”答案是肯定的，因為我們將在22nm節(jié)點支持它。但是宏觀設(shè)計的本質(zhì)上和28nm是一樣的。

“一旦超過28nm/22nm，eFlash將需要多于15個掩模加法器在前端線的進程。額外的掩模加法器制造了成本障礙，為鑄造行業(yè)帶來挑戰(zhàn)，無論是尋求替代非易失性存儲器，還是繼續(xù)投資額外的資源以推動現(xiàn)有eFlash技術(shù)的邊界，”UMC產(chǎn)品營銷總監(jiān)David Hideo Uriu補充道。

因此，功耗低、讀寫速度快的嵌入式MRAM正在開發(fā)進程中，將會取代28nm及以上的嵌入式NOR Flash。這是GlobalFoundries前沿CMOS副總裁Mike Mendicino的看法。

例如，低功耗單片機可能需要快速喚醒和安全功能。Mendicino認(rèn)為，“MRAM可以取代傳統(tǒng)的嵌入式Flash，也可以替代一些SRAM?！?/p>

對于高速緩存，SRAM占據(jù)了芯片很大一部分。嵌入式MRAM還可以承擔(dān)一些基于SRAM的緩存功能，從而節(jié)省空間和成本。MRAM本身可以在這些設(shè)備上節(jié)省電能?！暗绻藗儼岩粋€性能出色的MRAM放到一個平庸的平臺上，那是難以實現(xiàn)的?！盡endicino如是說道。

然而，嵌入式MRAM仍然存在一些挑戰(zhàn)，即是在設(shè)計中的集成技術(shù)能力。成本也是另一個重要因素。“客戶希望新興的嵌入式非易失性存儲器與eFlash一樣具有成本效益。這一預(yù)期給整個行業(yè)帶來挑戰(zhàn)，但這將是很難實現(xiàn)的，但解決方案應(yīng)該能夠以現(xiàn)在的成本點來維持當(dāng)前的價格競爭力?！盪MC的Uriu說。

與此同時，ReRAM也取得進展，但尚未達(dá)到3D XPoint和MRAM的水平。一般來說，ream有兩種類型——氧空位ream和CBRAM。

在這兩種情況下，開關(guān)介質(zhì)位于頂部和底部電極之間。當(dāng)正電壓作用于電極上時，在兩個電極之間形成導(dǎo)電絲。燈絲由離子原子組成。當(dāng)在底部電極上施加負(fù)壓時，導(dǎo)電絲就斷裂了。

圖片5：ReRAM運作過程

ReRAM涉及一個復(fù)雜的過程。MRAM和ReRAM都有類似的讀取和數(shù)據(jù)保留規(guī)格。但與ReRAM相比，MRAM具有更高的溫度規(guī)格，這令MRAM在汽車等應(yīng)用領(lǐng)域更具優(yōu)勢。UMC的Uriu表示:“簡單來說，MRAM可以更多地運用于汽車，但ReRAM目前只適用于消費級應(yīng)用?！?/p>

圖片6：MRAM vs.ReRAM

到目前為止，Adesto和Panasonic是唯一推出獨立運行的ReRAM的兩家公司。Crossbar也在開發(fā)獨立設(shè)備，不過這家公司專注于IP授權(quán)模式。嵌入式方面，Crossbar與Microsemi公司合作。Microsemi正在努力將嵌入式ReRAM集成到高級SoC或FPGA中，制程是在14nm或12nm之間。

除此之外，其他公司也在開發(fā)ReRAM項目。嵌入式ReRAM主要應(yīng)用于AI/機器學(xué)習(xí)、計算、家庭自動化、工業(yè)和安全。

其他新型存儲器

FRAM是另一種值得關(guān)注的技術(shù)。使用鐵電電容器存儲數(shù)據(jù)，F(xiàn)RAM是非易失性存儲器，具有無限的耐久性。

傳統(tǒng)的FRAMs的擴展性是有限的。為了解決這些問題，創(chuàng)業(yè)公司Ferroelectric Memory(FMC)正在開發(fā)下一代FRAM，稱為鐵電場效應(yīng)晶體管(FeFET)。

仍在研發(fā)階段的FeFET并不是一種新設(shè)備。FeFET利用現(xiàn)有的基于氧化鉿的金屬閘極堆疊邏輯晶體管。然后對閘級絕緣子進行鐵電性質(zhì)的改性。

FMC的CEO Stefan Muller表示:“我們所做的是一種基于晶體管的鐵電存儲器。我們正在推進嵌入式領(lǐng)域的發(fā)展?！?/p>

同時，在研發(fā)方面，Nantero正在研發(fā)碳納米管。對于嵌入式應(yīng)用，富士通預(yù)計將提供第一款基于Nantero技術(shù)的納米碳管RAM。

這個策略是為邏輯電路做嵌入式存儲器。富士通將在2019年擴大這一規(guī)模。來自Nantero的Doller說道，“與此同時，我們正在研發(fā)的是一款與DRAM兼容的高容量設(shè)備。這將與DRAM展開競爭。”

因此，下一代存儲器正在不斷推進，為OEM廠商提供了大量的選擇。但要成為主流設(shè)備，對于它們來說，還有很長一段路要走。