什么才是内存的未来？MRAM最被看好
什么才是内存的未来？MRAM最被看好而在傲腾谢幕之后，又有哪些技术值得大家关注呢？来自CoughlinAssociates的TomCoughlin和来自ObjectiveAnalysis的JimHandy近期发布了一份报告，两位半导体分析师对目前五种新兴存储技术的前景进行了详尽的分析，从中我们或许可以窥得技术发展的一角。分析师首先总结了傲腾失败的经验教训，半导体制造的本质是产量越高，成本越低，有了傲腾，英特尔本可以提高产能来降价，并带动芯片销量，但傲腾一开始的产能并不充沛，这意味着芯片成本较高，且必须自己承担这部分损失，必须在销量不断上升，直到证明产能增加的合理性，最终降低每块芯片的成本，从而大幅盈利。这也表明了规模经济在新兴存储器市场发挥的作用可能比我们想象的还要大，报告中给出了一个结论，即晶圆体积必须接近竞争技术体积的10%，才能实现成本均等。而在傲腾逐步走向失败的过程中，有五种新兴存储技术开始登上舞台，包括MRAM、相变存储器(PCM)、铁电RAM(FERAM)、电阻式存储器RAM(ReRAM)和NRAM/UltraRAM，它们有望超越NAND和NOR的扩展限制，且功耗比DRAM和SRAM更低。01FRAM/FeRAM1952年发明的FRAM是历史最悠久的新兴存储器，时至今日，已经有超过40亿颗FRAM芯片搭载于各类设备中。尽管名字里带铁，但FRAM并没有实用任何铁，它只是具有一个类似于铁磁性的磁滞回线，并且该磁滞回线允许它存储数据，FRAM的原理是利用某些晶格的独特物理特性，在铁电材料中，原子可以占据晶格内两个稳定位置之一，电场将晶格内的移动原子移动到两个稳定位置之一，具体取决于电场的极性和一些物理属性（可能是电容或电阻），取决于被捕获原子的位置。目前也有多家厂商还在生产FRAM，例如英飞凌主要生产分立FRAM芯片，而德州仪器和富士通则将该技术嵌入到MCU中，富士通还在地铁车票里嵌入了FRAM，而此用途的主要原因是是FRAM的写入能耗是存储技术中相对最低的。为什么FRAM发明了这么久，生产了数十亿颗芯片后依旧不为人知，还被列入新兴存储技术呢？原因是FRAM之前主要基于锆钛酸铅(PZT)和钽酸锶铋(SBT)，但这两种材料都包含铅或铋，会对晶圆厂造成污染，因而限制了它的产能，幸运的是，2011年人们发现氧化铪（HfO）在某些条件下具有铁电特性。HfO是FinFET中使用的高K栅极电介质的基础，不仅解决了产能问题，而且不会造成污染，因而尽管HfO还没有正式用来生产，但未来前景十分广阔。与闪存相比，FRAM的优势包括功耗更低、写入速度更快和最大读/写耐久性更高，FRAM在+85°C下的数据保存时间超过10年（在较低温度下可长达数十年），但它也有自己的缺点，即存储密度远低于闪存设备，存储容量有限，成本较高，截至2021年，不同供应商销售的芯片的存储大小（密度）不超过16Mb。目前，FRAM现在正在通过CMOS技术嵌入到芯片中，使MCU能够拥有自己的FRAM存储器，这比在MCU芯片中嵌入闪存所需的级数要少，从而大大降低了成本。02PCM由于英特尔推出的傲腾内存，相变存储器（PCM或PRAM）早已成为新兴存储器技术中收入遥遥领先的存在，事实上，早在1970年，英特尔的戈登-摩尔（GordonMoore）与罗恩-尼尔（RonNeale）以及D-L-尼尔森（DLNelson）就共同撰写过一篇关于256位PCM原型的文章，其研发历史之悠久，并不逊色其他存储技术。PCM的起源要追溯到1960年，奥夫申斯基成立了能源转换实验室，研究非晶材料及其相变特性。该实验室于1964年更名为能源转换设备公司(ECD)，奥夫申斯基的众多创新成果之一就是以他本人命名的Ovonics相变存储器。英特尔最终与ECD合作，获得了Ovonics相变存储器的知识产权许可，并于2015年正式发布了3DXPointPCM。除去英特尔，意法半导体生产过带有PCM程序存储器的微控制器（MCU），而三星和美光这类存储厂商也都在十多年前大规模生产了PCMNOR闪存替代产品，不过这部分产品的存在时间相当短。PCM的基础是一种沉积在标准CMOS逻辑芯片上方的瑀玻璃材料，这种材料会根据玻璃的特性改变其状态，玻璃从结晶状态和非晶状态，分别对应导电或电阻状态，其提高存储容量的方式有两种：一种是三维堆叠，是英特尔和美光专注的领域，还有一种是多值技术，IBM在该领域取得了突破性进展。和闪存相比，PCM的优点非常多，如可嵌入功能强、优异的可反复擦写特性、稳定性好以及和CMOS工艺兼容等，事实上，到目前为止，还未发现PCM有明确的物理极限，在相变材料的厚度降至2nm时，器件仍然能够发生相变。PCM的最大优势就是可以采用交叉点配置，在两条正交导电线的交叉处存储数据，这有利于堆叠，从而使芯片尺寸和生产成本低于除3DNAND以外的任何成熟技术。但PCM也有不容忽视的缺点，发热仍然是主要问题，虽然内存是热稳定的并且可以处理高温应用，但对单元进行编程时产生的热量可能影响其相邻单元，局部加热会导致电池上方出现空隙，此外，闪存每个单元存储和检测多个位的能力，使它目前仍然比PCM具有存储容量优势。近几年，人们对PCM在内存计算中的应用产生了浓厚的兴趣。其想法是通过利用PCM的模拟存储能力和基尔霍夫电路定律，在存储器阵列本身中执行计算任务，例如矩阵向量乘法运算，2021年，IBM发布了基于集成在14nmCMOS技术节点的多级PCM的成熟内存计算核心。03MRAM磁性RAM（MRAM）是一种基于所有磁性记录（硬盘、磁带等）物理原理的技术，但其应用方式去除了机械元素，截至目前，摩托罗拉（Motorola）和飞思卡尔（Freescale）的研究成果催生出的Everspin公司是该技术的领先者，2021年该公司的营业收入为4400万美元。此外，Avalanche和Numem最近也加入了生产MRAM的行列，而台积电、格芯和三星等代工厂都推出了嵌入式MRAM工艺，目前MRAM工艺已开始应用于物联网应用和微功耗设备的SoC中。MRAM的种类非常丰富，但它们的结构都非常相似，都使用钴和镁层作为巨磁阻（GMR）传感器和磁开关元件的组合，它们也被大量用于硬盘读/写磁头，其主要优势在于速度，不少人设想过MRAM将来能够取代高速SRAM。经过多年研究，MRAM已经分为多种类型和路线：STT-MRAM有效地解决了SRAM存储器在不活动时“泄漏”能量的问题；SOT-MRAM显著提高了器件的耐用性和读取稳定性，消除了STT-MRAM器件中固有的开关延迟；VCMA-MRAM进一步降低了STT-MRAM的功耗，但写入速度相对较慢；VG-SOT则综合了前两者的优点，但制造工序较为复杂，功能有待验证；(VG-)SOTMRAM在模拟内存计算方面具备更大潜力……多年来，不同类型的MRAM存储器件不断涌现，在写入速度、可靠性、功耗和面积消耗之间进行权衡，根据具体特性有完全不同的应用，例如用于嵌入式闪存和末级缓存的STT-MRAM、用于较低级缓存的SOT-MRAM、用于超低功耗应用的VCMA-MRAM，最后是VG-MRAM，VG-SOTMRAM作为终极统一高速缓存，还具有内存计算的优势。在MRAM中，数据通常存储在磁性可以改变的"自由"层中，并与生产时设置的"固定"层进行比较，而GMR传感器负责检测两者之间的差异。大多数MRAM变体的最大区别在于数据的写入方式。所有MRAM的每个位单元都至少使用一个晶体管，而许多MRAM则使用两个晶体管，且电流相当大，这也让该技术的生产成本效益低于其他技术。MRAM具有SRAM兼容的读/写周期，因此特别适合于那些必须以最小延迟存储和检索数据的应用程序，它成功把低延迟、低功耗、无限持久性、可伸缩性和非易变性结合到了一起。作为一种磁性...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1385421.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1385421.htm
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