淺析各類新興存儲器的差別

新興存儲器(emerging memory)現(xiàn)在多指的是新的非揮發(fā)性存儲器，最主要包括相變半導(dǎo)體(Phase Change Memory；PCM)、可變電阻式存儲器(Resistive RAM；ReRAM)以及MRAM。這些新興存儲器目前都在競爭儲存級存儲器(Storage Class Memory；SCM)的核心位置。

有許多比較各種新興存儲器的基準(zhǔn)指標(biāo)，包括寫入速度、功耗、耐久性、資料保存期限、可擴(kuò)展性(scalability)等。但新興存儲器的材料、結(jié)構(gòu)、甚至工作機(jī)制，都還在快速進(jìn)展之中，單看這些數(shù)據(jù)并不能有較遠(yuǎn)的能見度。我學(xué)物理，喜歡從基礎(chǔ)工作機(jī)制看起。

PCM利用硫化物(chalcogenide)－特別是Ge2Sb2Te5(GST) －的特性，加高溫讓它變成晶體(crystalline)或非晶(amorphous)狀態(tài)－兩種相。晶體相導(dǎo)電性高，通常代表狀態(tài)「1」；非晶相導(dǎo)電性低，通常代表狀態(tài)「0」。由于在常溫下這兩種相都是穩(wěn)定的，就可以當(dāng)非揮發(fā)性存儲器。PCM也有用雷射來轉(zhuǎn)換物質(zhì)相態(tài)的方法。

ReRAM則是用過渡金屬氧化物(Transition Metal Oxide；TMD)薄膜，譬如HfO2－這可是咱們工研院開發(fā)完成的技術(shù)，當(dāng)成記憶單元。當(dāng)氧化物上下的電極施加偏壓超過臨界值時，氧化物中的氧就會變成空隙(vacancy)，氧離子和此空隙就可以像電子和電洞自由移動，形成高導(dǎo)電態(tài)。而這高、低導(dǎo)電態(tài)，就可以形成「1」與「0」。ReRAM的材料眾多，性能有可能再提高。

MRAM則是由磁穿墜結(jié)(Magnetic Tunnel Junction；MTJ)當(dāng)記憶單元，此MTJ由二鐵磁層：一自由層、一固定層，中間夾一層薄氧化層所形成，像三明治。當(dāng)此二鐵磁層的磁化方向相同，是低電阻態(tài)，代表「1」 ；此二鐵磁層的磁化方向相反，是高電阻態(tài)，代表「0」。自由層的磁化方向可以由被極化的電流由所攜帶的自旋流(spin current)所翻轉(zhuǎn)，這就是所謂的自旋轉(zhuǎn)矩移轉(zhuǎn)(Spin Torque Transfer；STT)。這個翻轉(zhuǎn)磁矩的機(jī)制還在改進(jìn)之中。

以前MRAM常被詬病的是其所需寫入電流大、功耗大、寫入速度慢。這個刻板印象可以試著從基礎(chǔ)機(jī)制來判別。PCM和ReRAM的狀態(tài)改變都牽涉到原子鍵結(jié)的斷裂以及原子的重新排列，而MRAM的狀態(tài)改變僅牽涉到原子中外層電子的自旋方向翻轉(zhuǎn)，二者所需的能量有數(shù)量級的差別。

那么為什么以前MRAM需要那么高的寫入電流？第一代的MRAM翻轉(zhuǎn)磁矩用的方法是在導(dǎo)在線通過電流以產(chǎn)生磁場，以此磁場翻轉(zhuǎn)磁矩。但是因為只有一小部份的磁場被真正用于翻轉(zhuǎn)磁矩，效率不彰，所以能耗很大?，F(xiàn)在的STT讓電流的自旋直接通過鐵磁層，直接作用效率高多了。

目前用于替代L3 cache的嵌入式MRAM，寫入電流降至數(shù)十nA，寫入速度10ns，已經(jīng)可以滿足需求了。但用STT機(jī)制來翻轉(zhuǎn)磁矩，因為電子質(zhì)量輕，轉(zhuǎn)矩還是小。現(xiàn)在研究發(fā)展中的自旋軌域轉(zhuǎn)矩(Spin Orbit Torque；SOT)產(chǎn)生力矩的是原子，原子較電子重多了，產(chǎn)生的力矩大，實(shí)驗證據(jù)顯示效率還可以有數(shù)量級的改進(jìn)。

PCM與ReRAM還有一個隱憂。由于改變存儲器狀態(tài)牽涉到原子鍵結(jié)的斷裂以及重組，每寫一次，材料就受一次摧殘，所以耐久性的表現(xiàn)略遜。

現(xiàn)在各新興存儲器的發(fā)展各占區(qū)位，MRAM在嵌入式的應(yīng)用站穩(wěn)位置，PCM和ReRAM則往SCM方向發(fā)展，ASML的SCM技術(shù)路標(biāo)上的兩個競爭者就是PCM和ReRAM，雖然現(xiàn)在ReRAM的實(shí)際容量還小。但是未來真正的決勝點(diǎn)，我認(rèn)為是哪里一種新興存儲器能做到真正的3D制程，而不是cross-point，這樣才有可能在價格上與3D NAND競爭，但這是后話了。