什麼才是內存的未來？

什麼才是內存的未來？

英特爾無疑是對未來技術押寶最多的廠商之一，從 Rambus DRAM，到後來的傲騰 3D Xpoint 內存，它表現出了對更先進技術的探索與渴望，只可惜，這兩種被英特爾寄予厚望的內存技術卻最終都被自己親手判了死刑，讓人扼腕嘆息。

而在傲騰謝幕之後，又有哪些技術值得大家關注呢？

來自 Coughlin Associates 的 Tom Coughlin 和來自 Objective Analysis 的 Jim Handy 近期發佈了一份報告，兩位半導體分析師對目前五種新興存儲技術的前景進行了詳盡的分析，從中我們或許可以窺得技術發展的一角。

分析師首先總結了傲騰失敗的經驗教訓，半導體制造的本質是產量越高，成本越低，有了傲騰，英特爾本可以提高產能來降價，並帶動芯片銷量，但傲騰一開始的產能並不充沛，這意味着芯片成本較高，且必須自己承擔這部分損失，必須在銷量不斷上升，直到證明產能增加的合理性，最終降低每塊芯片的成本，從而大幅盈利。

這也表明了規模經濟在新興存儲器市場發揮的作用可能比我們想象的還要大，報告中給出了一個結論，即晶圓體積必須接近競爭技術體積的 10%，才能實現成本均等。

而在傲騰逐步走向失敗的過程中，有五種新興存儲技術開始登上舞台，包括 MRAM、相變存儲器 ( PCM )、鐵電 RAM ( FERAM )、電阻式存儲器 RAM ( ReRAM ) 和 NRAM/UltraRAM，它們有望超越 NAND 和 NOR 的擴展限制，且功耗比 DRAM 和 SRAM 更低。

FRAM/FeRAM

1952 年發明的 FRAM 是歷史最悠久的新興存儲器，時至今日，已經有超過 40 億顆 FRAM 芯片搭載於各類設備中。儘管名字裏帶鐵，但 FRAM 並沒有實用任何鐵，它只是具有一個類似於鐵磁性的磁滯回線，並且該磁滯回線允許它存儲數據，

FRAM 的原理是利用某些晶格的獨特物理特性，在鐵電材料中，原子可以佔據晶格內兩個穩定位置之一，電場將晶格內的移動原子移動到兩個穩定位置之一，具體取決於電場的極性和一些物理屬性（可能是電容或電阻），取決於被捕獲原子的位置。

目前也有多家廠商還在生產 FRAM，例如英飛凌主要生產分立 FRAM 芯片，而德州儀器和富士通則將該技術嵌入到 MCU 中，富士通還在地鐵車票裏嵌入了 FRAM，而此用途的主要原因是是 FRAM 的寫入能耗是存儲技術中相對最低的。

為什麼 FRAM 發明了這麼久，生產了數十億顆芯片後依舊不為人知，還被列入新興存儲技術呢？

原因是 FRAM 之前主要基於鋯鈦酸鉛 (PZT) 和鉭酸鍶鉍 (SBT)，但這兩種材料都包含鉛或鉍，會對晶圓廠造成污染，因而限制了它的產能，幸運的是，2011 年人們發現氧化鉿（HfO）在某些條件下具有鐵電特性。HfO 是 FinFET 中使用的高 K 柵極電介質的基礎，不僅解決了產能問題，而且不會造成污染，因而儘管 HfO 還沒有正式用來生產，但未來前景十分廣闊。

與閃存相比，FRAM 的優勢包括功耗更低、寫入速度更快和最大讀/寫耐久性更高，FRAM 在 +85 °C 下的數據保存時間超過 10 年（在較低温度下可長達數十年），但它也有自己的缺點，即存儲密度遠低於閃存設備，存儲容量有限，成本較高，截至 2021 年，不同供應商銷售的芯片的存儲大小（密度）不超過 16Mb。

目前，FRAM 現在正在通過 CMOS 技術嵌入到芯片中，使 MCU 能夠擁有自己的 FRAM 存儲器，這比在 MCU 芯片中嵌入閃存所需的級數要少，從而大大降低了成本。

PCM

由於英特爾推出的傲騰內存，相變存儲器（PCM 或 PRAM）早已成為新興存儲器技術中收入遙遙領先的存在，事實上，早在 1970 年，英特爾的戈登 - 摩爾（Gordon Moore）與羅恩 - 尼爾（Ron Neale）以及 D-L-尼爾森（D L Nelson）就共同撰寫過一篇關於 256 位 PCM 原型的文章，其研發歷史之悠久，並不遜色其他存儲技術。

PCM 的起源要追溯到 1960 年，奧夫申斯基成立了能源轉換實驗室，研究非晶材料及其相變特性。該實驗室於 1964 年更名為能源轉換設備公司 (ECD)，奧夫申斯基的眾多創新成果之一就是以他本人命名的 Ovonics 相變存儲器。英特爾最終與 ECD 合作，獲得了 Ovonics 相變存儲器的知識產權許可，並於 2015 年正式發佈了 3D XPoint PCM。

除去英特爾，意法半導體生產過帶有 PCM 程序存儲器的微控制器（MCU），而三星和美光這類存儲廠商也都在十多年前大規模生產了 PCM NOR 閃存替代產品，不過這部分產品的存在時間相當短。

PCM 的基礎是一種沉積在標準 CMOS 邏輯芯片上方的瑀玻璃材料，這種材料會根據玻璃的特性改變其狀態，玻璃從結晶狀態和非晶狀態，分別對應導電或電阻狀態，其提高存儲容量的方式有兩種：一種是三維堆疊，是英特爾和美光專注的領域，還有一種是多值技術，IBM 在該領域取得了突破性進展。

和閃存相比，PCM 的優點非常多，如可嵌入功能強、優異的可反覆擦寫特性、穩定性好以及和 CMOS 工藝兼容等，事實上，到目前為止，還未發現 PCM 有明確的物理極限，在相變材料的厚度降至 2nm 時，器件仍然能夠發生相變。

PCM 的最大優勢就是可以採用交叉點配置，在兩條正交導電線的交叉處存儲數據，這有利於堆疊，從而使芯片尺寸和生產成本低於除 3D NAND 以外的任何成熟技術。

但 PCM 也有不容忽視的缺點，發熱仍然是主要問題，雖然內存是熱穩定的並且可以處理高温應用，但對單元進行編程時產生的熱量可能影響其相鄰單元，局部加熱會導致電池上方出現空隙，此外，閃存每個單元存儲和檢測多個位的能力，使它目前仍然比 PCM 具有存儲容量優勢。

近幾年，人們對 PCM 在內存計算中的應用產生了濃厚的興趣。其想法是通過利用 PCM 的模擬存儲能力和基爾霍夫電路定律，在存儲器陣列本身中執行計算任務，例如矩陣向量乘法運算，2021 年，IBM 發佈了基於集成在 14 nm CMOS 技術節點的多級 PCM 的成熟內存計算核心。

MRAM

磁性 RAM（MRAM）是一種基於所有磁性記錄（硬盤、磁帶等）物理原理的技術，但其應用方式去除了機械元素，截至目前，摩托羅拉（Motorola）和飛思卡爾（Freescale）的研究成果催生出的 Everspin 公司是該技術的領先者，2021 年該公司的營業收入為 4400 萬美元。

此外，Avalanche 和 Numem 最近也加入了生產 MRAM 的行列，而台積電、格芯和三星等代工廠都推出了嵌入式 MRAM 工藝，目前 MRAM 工藝已開始應用於物聯網應用和微功耗設備的 SoC 中。

MRAM 的種類非常豐富，但它們的結構都非常相似，都使用鈷和鎂層作為巨磁阻（GMR）傳感器和磁開關元件的組合，它們也被大量用於硬盤讀/寫磁頭，其主要優勢在於速度，不少人設想過 MRAM 將來能夠取代高速 SRAM。

經過多年研究，MRAM 已經分為多種類型和路線：STT-MRAM 有效地解決了 SRAM 存儲器在不活動時 “泄漏” 能量的問題；SOT-MRAM 顯著提高了器件的耐用性和讀取穩定性，消除了 STT-MRAM 器件中固有的開關延遲；VCMA-MRAM 進一步降低了 STT-MRAM 的功耗，但寫入速度相對較慢；VG-SOT 則綜合了前兩者的優點，但製造工序較為複雜，功能有待驗證；(VG-) SOT MRAM 在模擬內存計算方面具備更大潛力……

多年來，不同類型的 MRAM 存儲器件不斷湧現，在寫入速度、可靠性、功耗和麪積消耗之間進行權衡，根據具體特性有完全不同的應用，例如用於嵌入式閃存和末級緩存的 STT-MRAM、用於較低級緩存的 SOT-MRAM、用於超低功耗應用的 VCMA-MRAM，最後是 VG-MRAM，VG-SOT MRAM 作為終極統一高速緩存，還具有內存計算的優勢。

在 MRAM 中，數據通常存儲在磁性可以改變的 "自由 "層中，並與生產時設置的 "固定 "層進行比較，而 GMR 傳感器負責檢測兩者之間的差異。大多數 MRAM 變體的最大區別在於數據的寫入方式。所有 MRAM 的每個位單元都至少使用一個晶體管，而許多 MRAM 則使用兩個晶體管，且電流相當大，這也讓該技術的生產成本效益低於其他技術。

MRAM 具有 SRAM 兼容的讀/寫週期，因此特別適合於那些必須以最小延遲存儲和檢索數據的應用程序，它成功把低延遲、低功耗、無限持久性、可伸縮性和非易變性結合到了一起。

作為一種磁性技術，MRAM 本質上是抗輻射的，這使得它在航空航天應用中很受歡迎，而且這些應用對價格的敏感度也較低。此外，MRAM 還在企業存儲中找到了一席之地，例如 IBM 的閃存核心模塊，其中 Everspin 的 MRAM 用作意外斷電時的緩衝區。

MRAM 在工業應用中也有廣闊的前景，分析師表示，工業應用程序需要具有非常快的寫入能力，且需要非易失性存儲，但 NAND 閃存、NOR 閃存和 EEPROM 的寫入速度都非常慢，並且消耗大量電力，而額外搭配電池的 SRAM，每隔幾年就需要更換電池，對比之下 MRAM 在這些場景中就顯得如魚得水了。

汽車行業則是 MRAM 如此受歡迎的重要原因之一，由於對 MCU 的需求不斷增加，閃存的成本水漲船高，因而不少供應商開始從閃存轉向 eMRAM。2022 年，瑞薩電子宣佈推出 STT-MRAM 測試芯片，其表示，與採用 FEOL 製造的閃存相比，在 22 nm 以下工藝中，採用 BEOL 製造的 MRAM 具有優勢，因為它與現有 CMOS 兼容邏輯工藝技術，並且對額外掩模層的需求更小。

IBM 態度更加樂觀。IBM 傑出研究人員兼高級經理 Daniel Worledge 表示：“大約三年後，您將能夠指着街上的每輛新車並説該車內有 eMRAM。” “先進節點中不再有嵌入式閃存，所有代工廠都已停止開發它，過渡期為 22 納米和 28 納米，具體取決於代工廠。”

ReRAM/RRAM

1971 年，加利福尼亞大學伯克利分校的萊昂 - 蔡（Leon Chua）撰寫了一篇題為 "憶阻器 -- 缺失的電路元件 "的理論論文。該論文描述了第四種基本無源電子器件 -- 憶阻器，它可以根據先前流過該器件的電荷量來調節流過自身的電流。此時的憶阻器還只是一種理論，它是一種假想的器件，滿足了描述其他三種基本無源電子元件（電阻、電容和電感）行為的方程式對對稱性的需求。

而將近四十年後，也就是 2008 年，惠普實驗室宣佈已經成功用二氧化鈦製造出了憶阻器，且憶阻器是一種非二進制器件，可以用來存儲模擬或數字數據，當時有人預測 DRAM 即將消亡，憶阻器將以電阻存儲器或 RRAM 的形式取而代之，當時惠普表示，將在即將推出的月球計算機中採用 RRAM。

但到了 2015 年，惠普又撤銷了這一決定，表示將在月球計算機中使用 DRAM，而不是憶阻器，在惠普宣佈憶阻器生產成功的 15 年後，RRAM 革命仍未發生，而且似乎也不會很快發生。

與 MRAM 一樣，電阻式 RAM（ReRAM 或 RRAM）也有多種變體，它們都是通過在標準 CMOS 邏輯上沉積特殊材料來製造的。

ReRAM 代工工藝主要由台積電、華邦和格芯提供支持，瑞薩（通過收購 Adesto）、富士通、微芯和索尼將 ReRAM 作為獨立產品生產，新唐科技則將其用於微控制器中，目前全球也有許多公司正在開發 ReRAM 工藝。

ReRAM 的技術原理是在電阻式 RAM 單元中，電流通過兩根導線來檢測位單元的電阻是高還是低，通常情況下，通過向正或負方向增加電壓來改變單元的狀態，從而增加或降低單元的電阻，通過將金屬離子或氧空位等導電元素移入電橋，或從現有電橋中移除這些元素來實現的。有一部分可能會認為，大多數其他新興存儲技術（PCM、MRAM 和 FRAM）都可以歸入 ReRAM 類別，因為它們也使用可變電阻來指示存儲器位的狀態。

ReRAM 的關鍵特性與 PCM 一樣，它可以內置於用於堆疊的交叉點單元中，並且由於可以在單個位單元上存儲線性值，因此也未來也有機會能夠用在神經網絡之中。

ReRAM 的主要優點在於消耗電力較低，不需要像傳統存儲器件那樣消耗大量的能量來維持存儲狀態，部分 RRAM 材料還具備多種電阻狀態，使得當個存儲單元存儲多位數據成為可能，從而提高存儲密度，不過在隨機讀寫速度和耐久度上相對其他新興技術不具備優勢。

多年來，與 ReRAM 技術相關的專利申請數量在不斷增加，尤其是 2010 年以後，專利申請量顯着增加，目前三星擁有最多數量的相關專利，緊隨其後的是美光和 SK 海力士，主要存儲廠商都對於這項技術表示出了興趣。

NRAM/UltraRAM

NRAM 是 Nantero 公司的專有計算機內存技術，它是一種基於沉積在芯片狀基板上的碳納米管位置的非易失性隨機存取存儲器，理論上，納米管的小尺寸可以實現非常高密度的存儲器。

Nantero 公司花費了將近 20 年的時間來研究 NRAM，它工作方式和其他存儲有所不同，其由碳納米管層所製作而成，碳納米管是由催化劑微粒（最常見的是鐵元）生長而來的。每個 NRAM“單元” 或晶體管由一個碳納米管網絡組成，其工作原理與其他非揮發性 RAM 技術相同。相互不接觸的碳納米管呈現高電阻狀態，代表 “關閉” 或 “0” 狀態；當碳納米管相互接觸時，它們呈現低電阻狀態，代表 “開啓” 或 “1” 狀態。

與 NAND 和 DRAM 相比，NRAM 能耗更低，待機模式的功耗接近於零，寫入速度更快，且具有無限的擴張性，FRAM 突破不了 100 納米，EEPROM 一般為 60 多納米， NOR Flash 為十幾納米，而 NRAM 可以推進至 5 納米，未來的擴展空間比較大。

NRAM 相對於傳統閃存的另一大優勢是耐久度，可實現幾乎無限的讀寫循環。它們還具備耐熱、耐寒、抗電磁干擾和輻射的能力， Nantero 表示，其在 85 攝氏度下可以保存數千年，並在 300 攝氏度下經過了 10 年的測試，也沒有丟失哪怕一比特的數據。

NRAM 不但可以做數據儲存也可以做程序儲存，這一特性對消費類電子市場具備巨大吸引力。目前，針對獨立 NRAM 和嵌入式 NRAM 的產品開發項目正在進行中。正在尋求獨立 NRAM 的三個目的：用於 DRAM 替換，用於 NAND 閃存替換以及用於 DRAM 和 NAND 閃存都無法尋址的應用。在嵌入式存儲器領域，正在進行使用嵌入式 NRAM 代替嵌入式非易失性存儲器的工作，包括嵌入式閃存或嵌入式 RAM（SRAM 或 DRAM）。

2016 年富士通和 USJC 公佈，已經與 Nantero 企業達成共識，獲得 NRAM 技術授權，可以進行 NRAM 的開發設計與生產製造，作為 NRAM 的第一代產品，富士通 16Mbit 的 DDR3 SPI 接口產品預計將於 2021 年前後上市。

總結

隨着 AI、物聯網等領域的興起，使得大數據的應用越來越廣泛，而這部分新領域催生了對存儲的新需求，讀取速度快、存儲密度高、壽命長、電壓低、尺寸更小成為了目前最為迫切的需求，但目前的幾種存儲已經力不從心。

這也為上述的五種存儲技術提供了新的機會，不論哪一種存儲技術，都有自己的獨到之處，具備對閃存的巨大優勢，其中 MRAM 由於類型豐富，應用前景廣闊，綜合優勢明顯，成為了半導體分析師最為看好的一項技術。

但這並非代表 MRAM 穩操勝券，隨着其他存儲技術的發展和應用，未嘗沒有取而代之的可能性，究竟哪一種存儲技術才是未來，還請大家拭目以待。

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