一文了解新型存储技术

万物智联时代的到来，大幅提升了人工智能 (AI) 及边缘计算 (Edge Computing)等巨量运算架构的应用需求。但是传统存储器均在耗电量、数据访问速度、存储密度等方面受限于工艺制程等问题，已无法与时俱进。新型存储器由此而生。

目前包括FRAM、PCM、MRAM、以及ReRAM在内的新型存储器功耗更低、读写速度更快，可形成未来存储架构的最后一级缓存，消除内存与外存间的“存储墙”，同时也都具有潜力可突破传统冯诺依曼架构的瓶颈，是实现存内运算的最佳选择之一。

随着5G、人工智能（AI）、智能汽车等新兴应用的快速更迭，市场对数据存储在速度、功耗、容量、可靠性等层面提出了更高要求，存储器技术也在不断地面临着新的挑战。

在当前主流的存储器技术中，DRAM虽然速度快，但功耗大、容量低、成本高，且断电无法保存数据，使用场景受限；NAND Flash读写速度低，存储密度明显受限于工艺制程。

为了突破DRAM、NAND Flash等传统存储器的局限，存储器技术壁垒不断被突破，新型存储技术开始进入大众视野。

01新型存储有哪些？

目前，新兴的存储技术旨在集成SRAM的开关速度和DRAM的高密度特性，并具有Flash的非易失特性。新型存储技术可主要分为相变存储器(PCM，Phase Change Memory)、磁变存储器（MRAM）、阻变存储器（RRAM/ReRAM）以及铁电存储器（FRAM/FeRAM）。

相变存储器通过相变材料相态的变化获得不同的电阻值，主要适用于大容量的独立式存储应用。磁变存储器通过磁性材料中磁筹的方向变化改变电阻，主要适用于小容量高速低功耗的嵌入式应用。

而阻变存储器则利用阻变材料中导电通道的产生或关闭实现电阻变化，目前主要用于物理不可克隆芯片（Physical Unclonable Function，PUF），并有可能在未来的人工智能、存算一体等领域发挥作用。此外，近年来，存算一体正逐渐成为解决当前存储挑战的热门趋势之一。

上述新型存储技术都具备一些共性，比如具有非易失性或持久性的特点，而所有的主流非易失性存储器均源自于只读存储器（ROM）技术；部分技术可通过工艺缩小尺寸，从而降低成本；无需使用闪存所需的块擦除/页写入方法，从而大大降低了写入耗电需求，同时提高了写入速度。下表为新型存储技术关键指标对比：

图表来源：全球半导体观察制表

02各路技术？

相变存储器（PCM）

PCM是通过热能的转变，使相变材料（相变的意思是：比如水在0°时从液态变为固态，即为相变）在低电阻结晶（导电） 状态与高电阻非结晶（非导电）状态间转换，即通过相变材料相态的变化获得不同的电阻值，也正因此有人认为它可以被归类于阻变存储器（ReRAM）内。

PCM拥有寿命长、功耗低、密度高、抗辐照特性好的技术特点，同时在写入更新代码之前，PCM不需要擦除以前的代码或数据，所以其读写速度比NAND Flash有所提高，读写时间较为均衡。PCM被认为是与CMOS工艺最兼容，技术最成熟的存储技术。

对于PCM来说，温度、成本、良率等都是其技术突破瓶颈的关键条件。另外，PCM采用的多层结构可使相变材料兼容CMOS工艺，但这也导致存储密度过低，因而PCM在容量上没法做到替代NAND Flash。PCM技术主要以英特尔与美光联合研发的3D Xpoint为代表。

2006年，英特尔与三星合作生产第一款商用 PCM 芯片。2015年，英特尔联合美光共同开发出一种革命性的存储芯片——3D Xpoint，前者为该技术冠名为傲腾（Optane），后者则称为QuantX。3D Xpoint技术是一种非易失性存储技术，与NAND闪存通过晶体管充放电存储数据的工作原理不同，3D Xpoint则是通过PCM相变材料来存储数据。

图示：3D Xpoint

英特尔与美光表示，3D Xpoint虽然速度逊于DRAM，但其具备1000倍闪存的性能、1000倍的可靠性以及10倍的容量密度。

不过，令人遗憾的是，随着英特尔傲腾业务的关闭，3D XPoint技术也将被淹没在历史的长河。据外媒《Tomshardware）去年11月报道，英特尔已悄悄推出傲腾（Optane）SSD DC P5810X固态硬盘，这可能是英特尔最后一个基于3D XPoint闪存的存储设备。

不过，业界仍在研发PCM技术，在去年年初，华中科技大学集成电路学院信息存储材料及器件研究所（ISMD）联合西安交通大学材料创新设计中心（CAID）研发了一种网状非晶结构的相变存储器，功耗达到了0.05pJ以下，比主流产品功耗低了一千倍。

磁变存储器（MRAM）

MRAM是一种基于隧穿磁阻效应的技术，MRAM的产品主要适用于容量要求低的特殊应用领域以及新兴的IoT嵌入式存储领域，该技术拥有读写次数无限、写入速度快（写入时间可低至2.3n）、功耗低、和逻辑芯片整合度高的特点。

图示：MRAM原理与结构

目前主流的MRAM技术主要以美国Everspin公司推出的STT-MRAM（垂直混合自旋扭矩转换磁性随机存储器）为代表。Everspin是一家设计、制造和商业销售离散和嵌入式磁阻RAM（MRAM）和自旋传递扭矩MRAM（STT-MRAM）的企业。

2019年，Everspin与晶圆代工厂格芯合作，试生产28nm 1Gb STT-MRAM产品；2020年3月，双方宣布已将联合开发的自旋转矩（STT-MRAM）器件的制造，扩展至12 nm FinFET平台，通过缩小制程有助于双方进一步拉低1 Gb芯片成本。Everspin在数据中心、云存储、能源、工业、汽车和运输市场中部署了超过1.2亿个MRAM和STT-MRAM产品。

STT MRAM使用隧道层的“巨磁阻效应”来读取位单元，当该层两侧的磁性方向一致时为低电阻，当磁性方向相反时，电阻会变得很高。与其他新兴存储技术相比，STT-MRAM耐用性较为出色，并且存储速度极快，还被认为是最高级的缓存存储器。

MRAM还有另一种技术是SOT-MRAM（自旋轨道扭矩磁性随机存储器），采用三端式 MTJ 结构，将读取和写入路径分开，通过分离读写路径，提供更高的耐用性。

凭借存储速度和耐用性的特点，这两种存储器有望成为高性能计算系统（如数据中心）分级存储体系中的上佳选择。不过，如果要将STT-MRAM或SOT-MRAM用作高密度存储器，还需在存储器成本和密度方面有进一步提升。

阻变存储器（RRAM/ReRAM）

ReRAM是以非导性材料的电阻在外加电场作用下，在高阻态和低阻态之间实现可逆转换为基础的非易失性存储器，该技术具备一般小于100ns的高速度、耐久性强、多位存储能力的特点。

ReRAM被分为许多不同的技术类别，包括氧空缺存储器 (OxRAM，Oxygen Vacancy Memories)、导电桥存储器 (CBRAM，Conductive Bridge Memories)、金属离子存储器 (MeRAM，Metal Ion Memories)、忆阻器 (Memristors)、以及纳米碳管 (CaRAM，Carbon Nano-tubes)，代表公司有美国Crossbar、松下和昕原半导体。

ReRAM由于存储介质中的导电通道具有随机性，在二进制存储中难以保证大规模阵列的均一性。所以，业界普遍认为，ReRAM能够充分满足神经形态计算和边缘计算等应用对能耗、性能和存储密度的要求，预期将在AIoT、智能汽车、数据中心、AI计算等领域获得广泛的运用，被认为是实现存算一体的最佳选择之一。

图示：ReRAM原理与结构

在新兴的存储技术中，ReRAM技术更适合在存储单元中采用多级存储，有利于降低存储器计算的能耗、提高成本效益，近年来台积电，Crossbar、英特尔、富士通、三星、UMC、Adesto等国际厂商已对该技术进行重点布局。

去年12月，英飞凌宣布下一代Aurix微控制器将使用嵌入式非易失性存储器，特别是电阻式随机存取存储器（ReRAM），而不是嵌入式闪存（eFlash），并将在台积电的28纳米节点上制造。英飞凌基于台积电28纳米eFlash技术的Autrix TC4x系列微控制器样品已经交付给主要客户，而基于台积电28纳米ReRAM技术的第一批样品将于2023年底提供给客户。

值得一提的是，国内新型存储企业昕原半导体在去年6月宣布，其基于ReRAM的“昕·山文”安全存储系列产品已实现在工业自动化控制核心部件的商用。这标志着ReRAM新型存储技术在先进工艺节点上通过了严苛的测试，已被工控领域接受，我国ReRAM新型存储产业化再进一步。另外，兆易创新和Rambus联手建立合资企业合肥睿科微，进行ReRAM技术的商业化，目前尚无量产消息。

铁电存储器（FRAM/FeRAM）

FRAM技术是利用铁电晶体材料电压与电流关系具有滞后回路的特点来实现信息存储，铁电材料可同时用于电容器和CMOS集成电路栅氧化层的数据存储。

图示：FRAM原理与结构

FRAM技术具有读写速度快、寿命长、功耗低、可靠性高的特点，凭借诸多特性，正在成为存储器未来发展方向之一。而FRAM产品已在半导体市场上得到了商业验证，FRAM存储器产品已成功应用在汽车中，FRAM代表公司包括Ramtron和Symetrix、英飞凌、日本富士通半导体。

此前人们在被广泛用于CMOS栅氧化层的氧化铪（HfO2）中发现了铁电性，引起了业界的关注。由于具备速度快、数据不易丢失，易于集成到CMOS等优点，铁电材料正作为一种新型存储器的候选材料得到广泛研究。

结 语

几十年来，研究人员日夜埋头研究，希望能够研发出可以取代传统存储器的新型存储技术。虽然当前的新型存储市场主要集中于低延迟存储与持久内存，还不具备替代DRAM/NAND闪存的能力，但在数据爆发式增长的时代下，新型存储凭借所具备的超强性能、超长寿命、可靠性及耐高温等优秀的特性，将有望成为存储器领域的新选择。

审核编辑：汤梓红