AI驱动新型存储器技术，国内新兴存储企业进阶

生成式AI对于算力、运力和存力的需求与日俱增，如何打破“存储墙”成为存储行业面临的挑战与机会。从因AI训练而爆红的HBM，再到DDR5、PCIE5.0 SSD、UFS4.0等存储规格不断演进，正是为了加速AI的训练与推理应用。但另一方面，新型存储也在AI时代扮演越来越重要的角色，最近国内新兴存储企业也将目光投向于此，并推出新产品等，以期紧跟新型存储技术的发展。
 
阻变存储器
 
RRAM（Resistive Random Access Memory）意为阻变式存储器，也称忆阻器，具有尺寸易于缩小，高速度，低功耗，低成本，易与CMOS工艺兼容等诸多特点。
 
阻变存储器以阻变材料作为存储介质，主要集中于二、三元金属氧化物，硫系化合物，不同形态碳以及有机聚合物等。阻变存储器工作原理为施加电压（反向偏压）后，原子在电场作用下移动，在绝缘介质内部形成（断裂）微导电丝，使存储器可以在高电阻和低电阻之间可逆转换，从而实现对信号“0”和“1”的存储。
 
阻变存储器起源于1960年代，包括富士通、Weebit Nano、三星、夏普等公司对其展开了广泛的研究。英飞凌此前宣布在下一代微控制器Aurix里使用台积电的嵌入式阻变存储器，其在台积电的28纳米节点上制造。
 
在消费类电子、物联网、人工智能、工业、汽车电子、数据中心等领域，RRAM都将得到广泛运用。
 
近期，国内RRAM的研发和应用也取得可喜的进展。国内头部面板厂商维信诺已完成世界首颗采用嵌入式RRAM（阻变存储器）存储技术AMOLED显示驱动芯片的开发和认证。该新型AMOLED显示驱动芯片由维信诺与驱动芯片设计公司昇显微电子联合开发，存储器设计公司睿科微电子提供技术支持。
 
一直以来，AMOLED显示屏都面临显示屏Mura（显示亮度不均匀）的技术问题，而传统设计方案中，内置SRAM（静态随机存储器）、OTP（一次性可编辑存储器）加外置NOR Flash（闪存）的设计存在生产成本高、参数读取速度慢等痛点。
 
针对上述痛点，这颗采用嵌入式RRAM存储技术的新型AMOLED显示驱动芯片（RRAM阻变存储器），集Demura SRAM、OTP和Flash三种功能于一体，通过器件本身电阻值的变化来实现存储功能。新方案相比传统方案存储面积可缩减30%，同时取消了外置Flash，采用RRAM技术可随时“原地”读取数据，极大地降低了数据传输所带来的消耗，真正实现降本增效。
 
此外，悦芯科技和睿科微达成战略合作，成功开发了国内首个基于睿科微RRAM IP的芯片量产测试方案，并已正式进入量产。
 
相变存储器
 
相变存储器具有优异的等比微缩能力、集成度高、读写速度快、循环寿命长、可实现多值存储等优点，被认为是最有潜力的新兴非易失存储技术，有望作为存储级内存解决闪存和动态随机存储器之间的内存墙瓶颈，在存储及内存、人工智能等领域有着广阔的应用前景。
 
相变存储材料最早由Ovshinsky于1968年发现。相变存储器采用硫系化合物为主的相变材料作为信息存储介质，在受热的作用下，相变材料能在非晶体和晶体状态之间实现快速、可逆转换，高电阻的非晶态和低电阻的晶态即可用于存储数字信号“0”和“1”。
 
Intel和美光联合研发的3D-Xpoint存储技术即傲腾，兼具传统DRAM、NAND的优点，但是持续亏损，目前英特尔正在逐步淘汰基于3D-Xpoint技术的存储产品。
 
近日，新存科技公布国产新型 3D 存储器，最高IO速度 3200MT/s，也是属于相变存储器。

图源：新存科技官网

 
新存科技9月23日发布其自主研发的国产首款最大容量新型 3D 存储器芯片 NM101。该新品采用先进工艺制程结合三维堆叠技术，单芯片容量达64Gb。这款高速大容量芯片专为大数据时代设计，旨在满足服务器、智能终端等领域对存储容量和读写性能的严苛需求。
 
新存科技官网公布 NM101 芯片的参数显示，NM101采用SLC存储单元类型，最高IO速度3200MT/s，总线位宽为×8，IO电压为1.2V，支持0℃~+70℃运行温度。
 

图源：新存科技官网

 
新存科技表示 NM101 基于新型材料电阻变化原理，支持随机读写，相比同类产品读写速度均可提升10倍以上、寿命也可增加5倍，可搭配业界合作伙伴的控制芯片，应用于企业级或消费级高性能存储产品的开发。
 
据悉，作为纯国产自主知识产权的产品，新存科技的3D PCM（相变存储器）已经处于产业化的前夜，新存科技与浙江安吉政府合作投建的1万片/月产能的中试线目前正平稳推进，预计2025年即可投产。后续产线也在规划中。
 
铁电随机存储器
 
FeRAM铁电存储器是一种结合了非易失性和随机存取特性的铁电随机存储器（内存）。这种存储器在断电的情况下能保留数据，不仅不需要备用电池，而且与EEPROM、FLASH等传统的非易失性存储器相比，具有优越的高速写入、高读写耐久性和低功耗性能。可应用于如汽车电子、安全芯片、可穿戴设备、人工智能等领域。
 
铁电随机存储器主要依靠存储芯片中铁电材料在电场下极化的翻转来实现信号“0”和“1”的存储，其极化状态在撤掉电场后依然能保持稳定，因此可以实现非易失性。铁电材料于1920年由 Valasek发现，之后学界长期聚焦钙钛矿结构传统铁电材料，如BTO和PZT。近年来新发现的氟石结构掺杂HfO2也具有铁电性质，其良好的可微缩性使其最近成为研究热点。目前国内外有数家公司和机构进行铪基铁电存储器的研发，包括富士通、英飞凌等。
 
Fujitsu自1999年开始大规模生产FRAM，拥有超过21年的生产经验，不仅证明FRAM产品的市场认可度，也展示Fujitsu在该领域的深厚技术积累和成熟生产经验。
 
富士通半导体的FeRAM阵容包括16Kbit至4Mbit的SPI接口产品和4Kbit至1Mbit的I2C接口产品。电源电压有3.3V工作和1.8V工作产品。封装形式包括与EEPROM及串行闪存兼容的SOP，以及可穿戴设备用SON（Small Outline Non-leaded package）和WL-CSP（Wafer Level Chip Size Package）等超小型封装形式的产品。同时，还有256Kbit至4Mbit的并行存储器，使用TSOP或SOP封装形式。在利用SRAM及数据保存用电池供电的应用中，并行存储器被用作进一步降低能耗或减少电池的解决方案。
 
磁阻存储器
 
磁阻存储元件以磁性材料为信息存储介质，磁化方向固定的参考层和磁化方向可变的自由层由绝缘层隔离开。通过磁场调节上下两层磁性层的磁化方向平行或者反平行来建立两个稳定状态，在反平行状态时通过此器件的电子会受到比较大的干扰因此表现出较高的阻值；而在平行状态时电子受到的干扰较小得到相对低的阻值，可分别用于存储数字信号“0”和“1”。
 
室温隧穿磁阻效应于1995年被发现，引发了大量的研究，现在已经在研发第二代电流驱动型自旋转移矩磁阻存储器STT-MRAM。目前，Everspin、IBM、Spin Transfer Technologies、Qaulcomm、Samsung、Avalanche等公司正在研发垂直STT-MRAM产品，推进磁阻存储器的商业化。
 
晶圆代工厂商GlobalFoundries 表示，MRAM技术为要求苛刻的应用提供灵活的数据和代码存储解决方案。
 
GF提供高可靠性的存储器，确保极低的误码率，全面融入22FDX技术，实现MRAM的大规模量产，提供宏设计服务，特别关注物联网特性，如待机功耗优化及深度睡眠快速唤醒时间等，支持耐极端温度和辐射的设计，满足物联网、存储和代码应用。