新型存储器结合了SRAM的速度和Flash的优势，看看未来有哪些存储器兴起

随着许多新技术的涌现，下一代存储器市场正在升温，但将这些产品引入主流市场仍面临一些挑战。

多年来，该行业一直致力于各种存储技术的研究，包括碳纳米管RAM、FRAM、MRAM、相变存储器和ReRAM。有些已推出，有些仍在研发中。这些不同类型的存储器都对应特定的应用领域，但都势必将在存储器家族中取代一个或者多个传统型存储。

在这个层次结构的第一层中，SRAM集成到处理器中以支持快速数据访问。层次结构中的下一层DRAM用于主存储器。磁盘驱动器和基于NAND的固态硬盘(SSD)则用于信息存储。（如下图）

图1：存储器层次结构-dram/SRAM和Flash具有相反的特性，这些特性令存储类存储器能填补空白

当前的存储器能够正常运作，但是它们正在努力跟上系统中数据和带宽需求的激增。例如，DRAM速度快但耗电量大，而NAND和硬盘驱动器既便宜但运行速度较慢。

这彰显了下一代存储器的用武之地。新型存储器结合了SRAM的速度和Flash的非易失性和良好的耐久性。这些技术拥有出色的规格，但它们要么迟迟未出现，要么效能不尽人意。

事实上，将许多新型存储器投入大规模生产一直是一个难题。它们依赖新型材料和转换机制，也难以制造或者运行，同时价格也非常昂贵。

总而言之，新型存储器仍然是利基产品，但是有很明显的进展。例如，英特尔正在持续推进名为3D XPoint的下一代存储器。紧接着，GlobalFoundries、三星(Samsung)、台积电(TSMC)和联华电子(UMC)正在为嵌入式市场开发新的存储器类型。有分析认为，“真正重要的是，逻辑晶圆厂正在为嵌入式存储器开发MRAM和resistance RAM。对于独立的存储器市场来说，成本很高。只有愿意投入巨大成本的人才会考虑。”

因此，传统存储器仍然是市场上的主流产品，但新型存储器也为我们提供了一些选择。

3D XPoint的兴起

3D XPoint的兴起已经持续一段时间，下一代存储器还在升级。每一种新型存储器都会被宣称它们性能比传统存储器更优越。

不过，至少目前来说，新的存储器不可能取代DRAM、Flash和SRAM。

这一切都归结于性能、容量与成本。举个例子，指定存储器的单元格大小等于特特征尺寸（F）乘以4的平方。最小的单元格大小是4F2。最新的3D NAND包含每个单元储存4个数据（QLC），理论上可以转换为1F2的单元大小。

但是，“如果它想取代NAND，就必须比1F2更便宜。据我所知，我们在有生之年不会看到这种情况。”身为存储器专家的Nantero公司董事会成员Ed Doller如是说道。

同理，若要取代DRAM，新的存储器类型必须更便宜，而且必须在它周围有一个完整的基础设施，比如DRAM兼容的接口和控制器。

那如果新的存储器类型不会取代传统的技术，那么它们适合应用在哪些地方？Lam Research高级技术总监Alex Yoon曾在一篇博客中写道，“云计算和最新的移动产品等应用正在推动对新型存储器的需求，这些新型存储器将DRAM的速度与NAND更高的比特密度以及更低的成本结合起来。”为了达到这些标准，科研人员正在探索一些新技术。有些公司瞄准的是嵌入式应用，比如系统级芯片(system-on-chips,SoCs)，而另一些公司则专注于存储类存储器空间。

目前，新型存储器已经开拓了现在的存储器无法满足的利基市场，甚至还从DRAM和Flash那里抢占了一些市场，但目前还不清楚这种新型存储器是否会成为主流技术。

目前为止，依然没有一种能够满足所有需求的新型存储技术。因此，随着时间的推移，客户可能会使用一种或多种存储器技术。“它们是竞争关系，功能存在重叠，但是它们在市场上都有属于各自的一席之地。”ReRAM供应商Crossbar的营销和业务开发副总裁Sylvain Dubois表达了他的观点。

图片2：存储器层次结构

但值得一提的是，有一项技术正在进展中。市场的一个重大变化是3D XPoint的崛起，这是英特尔(Intel)和美光(Micron)开发的下一代技术。

当3D XPoint在2015年正式推出时，它被称为是一种介于DRAM和NAND之间的存储技术。它的速度和耐久性都是NAND的1000倍。

然而，实际上3D XPoint的推出被延迟了，并且没有达到那些标准。不过，分析认为，“3D XPoint可能被过度炒作了。但3D XPoint仍然是相当惊人的，其盈利将超过所有其他非易失性存储器的总和。”

事实上，在几次延迟之后，英特尔正在升级基于3D XPoint的SSD和其他产品。最终，英特尔将把这项技术用于服务器里的DIMM。基于3D XPoint，英特尔将拥有速度最快、耐久性最高的SSD。

有数据显示，到2020年，3D XPoint的收入预计将达到15亿美元。相比之下，MRAM在2017年的销售额为3600万美元。其他新型存储器的营收则少到不容易被注意。但相比DRAM和NAND，新型存储器的营收仍然显得苍白无力。

与此同时，3D XPoint是基于一种叫做相变存储器(PCM)的技术。PCM以非晶相和晶体相存储信息。它可以通过外部电压进行可逆切换。

基于双层堆叠结构，3D XPoint采用20nm几何尺寸，具有128千兆位的密度。根据相关数据，其读取延迟大约为125ns，持续时间为200K。

图片3：3D XPoint架构

这项技术速度很快，但并没有达到NAND的1000倍。它的成本也比NAND高得多，这不是DRAM的替代品，它在某些程度上为DRAM提供了补充。

3D XPoint的下一步是什么？最大的机遇在于DIMM的空间。英特尔的DIMMs由将会集成3D XPoint和DRAM，并利用3D XPoint的性能特点来优化处理器和架构。

不过，这项技术的未来仍不确定。英特尔和美光正在分别开发3D NAND和3D XPoint。正如之前宣布的，两家公司将完成目前两类产品的开发，然后独立开发这些技术。目前还不清楚美光是否会推出3D XPoint产品。迄今为止，美光还没有推出3D XPoint产品，因为这项技术似乎与其DRAM和NAND产品存在竞争。

显然，英特尔有资源独自开发3D XPoint。但问题是，英特尔是否会利用这项技术收回其大规模的研发投资。

与此同时，这行业还在开发其他新的存储器，如MRAM和ReRAM。与3D XPoint一样，MRAM和ReRAM可以作为独立产品进行生产和销售。

3D XPoint不是作为嵌入式存储器出售的。相比之下，MRAM和ReRAM可以用于嵌入式存储市场。

对于MRAM，该行业正在开发下一代技术，称为自旋传递转矩MRAM(STT-MRAM)。STT-MRAM利用电子自旋的磁性为芯片提供非挥发性特性。它结合了SRAM的速度和Flash的非波动性，具有无限的持久性。

图片4：STT-MRAM存储单元

在传统存储器中，数据以电荷的形式存储。相比之下，MRAM使用一个磁隧道结(MTJ)存储单元作为存储单元。

MTJ由一个存储器堆栈组成，它可以为给定的应用程序重新配置。但在调优MTJ堆栈时，在持久度、数据保留和写入脉冲宽度方面存在一些权衡。在MTJ堆栈的设计中，存在固有的权衡。例如，你可以通过放弃数据保留来优化栈的耐久性，反之亦然。

这允许人们以不同的方式处理不同的应用。例如，如果你正在执行嵌入式MRAM，并且正在尝试构建一个用于代码存储的嵌入式NVM，那么提高数据保留和放弃持久性的能力则非常适合这个应用。

迄今为止，Everspin是唯一一家基于STT-MRAM的独立部件的公司。Everspin已经推出一款基于40nm制程的256兆比特器件，目前正在研制一款28nm制程的1gb器件。Avalanche、Crocus、三星、东芝、SK Hynix、Spin Transfer等公司仍在研发STT-MRAM，但尚未投产。

嵌入式MRAM的发展势头正在增强。GlobalFoundries、三星(Samsung)、台积电(TSMC)和联华电子(UMC)正在为代工客户开发28nm/22nm的嵌入式MRAM。

在嵌入式市场中，行业使用微控制器(MCUs)。MCUs在同一芯片上集成了多个组件，如CPU、SRAM、嵌入式存储器和外设。嵌入式存储器(如NOR Flash)用于代码存储。

基于40nm及以上的嵌入式或Nor Flash的MCU处于出货阶段。目前，该行业正在研发28nm制程的MCU，16nm/14nm制程芯片。

问题是，在28nm及更大范围内扩展嵌入式Flash是很困难的。UMC产品营销总监David Hideo Uriu说道，“许多人认为28nm/22nm制程将是eFlash的终结，不是因为可扩展性的限制，而是因为经济障碍。”“你能将嵌入式Flash扩展到28nm以上吗？”答案是肯定的，因为我们将在22nm节点支持它。但是宏观设计的本质上和28nm是一样的。

“一旦超过28nm/22nm，eFlash将需要多于15个掩模加法器在前端线的进程。额外的掩模加法器制造了成本障碍，为铸造行业带来挑战，无论是寻求替代非易失性存储器，还是继续投资额外的资源以推动现有eFlash技术的边界，”UMC产品营销总监David Hideo Uriu补充道。

因此，功耗低、读写速度快的嵌入式MRAM正在开发进程中，将会取代28nm及以上的嵌入式NOR Flash。这是GlobalFoundries前沿CMOS副总裁Mike Mendicino的看法。

例如，低功耗单片机可能需要快速唤醒和安全功能。Mendicino认为，“MRAM可以取代传统的嵌入式Flash，也可以替代一些SRAM。”

对于高速缓存，SRAM占据了芯片很大一部分。嵌入式MRAM还可以承担一些基于SRAM的缓存功能，从而节省空间和成本。MRAM本身可以在这些设备上节省电能。“但如果人们把一个性能出色的MRAM放到一个平庸的平台上，那是难以实现的。”Mendicino如是说道。

然而，嵌入式MRAM仍然存在一些挑战，即是在设计中的集成技术能力。成本也是另一个重要因素。“客户希望新兴的嵌入式非易失性存储器与eFlash一样具有成本效益。这一预期给整个行业带来挑战，但这将是很难实现的，但解决方案应该能够以现在的成本点来维持当前的价格竞争力。”UMC的Uriu说。

与此同时，ReRAM也取得进展，但尚未达到3D XPoint和MRAM的水平。一般来说，ream有两种类型——氧空位ream和CBRAM。

在这两种情况下，开关介质位于顶部和底部电极之间。当正电压作用于电极上时，在两个电极之间形成导电丝。灯丝由离子原子组成。当在底部电极上施加负压时，导电丝就断裂了。

图片5：ReRAM运作过程

ReRAM涉及一个复杂的过程。MRAM和ReRAM都有类似的读取和数据保留规格。但与ReRAM相比，MRAM具有更高的温度规格，这令MRAM在汽车等应用领域更具优势。UMC的Uriu表示:“简单来说，MRAM可以更多地运用于汽车，但ReRAM目前只适用于消费级应用。”

图片6：MRAM vs.ReRAM

到目前为止，Adesto和Panasonic是唯一推出独立运行的ReRAM的两家公司。Crossbar也在开发独立设备，不过这家公司专注于IP授权模式。嵌入式方面，Crossbar与Microsemi公司合作。Microsemi正在努力将嵌入式ReRAM集成到高级SoC或FPGA中，制程是在14nm或12nm之间。

除此之外，其他公司也在开发ReRAM项目。嵌入式ReRAM主要应用于AI/机器学习、计算、家庭自动化、工业和安全。

其他新型存储器

FRAM是另一种值得关注的技术。使用铁电电容器存储数据，FRAM是非易失性存储器，具有无限的耐久性。

传统的FRAMs的扩展性是有限的。为了解决这些问题，创业公司Ferroelectric Memory(FMC)正在开发下一代FRAM，称为铁电场效应晶体管(FeFET)。

仍在研发阶段的FeFET并不是一种新设备。FeFET利用现有的基于氧化铪的金属闸极堆叠逻辑晶体管。然后对闸级绝缘子进行铁电性质的改性。

FMC的CEO Stefan Muller表示:“我们所做的是一种基于晶体管的铁电存储器。我们正在推进嵌入式领域的发展。”

同时，在研发方面，Nantero正在研发碳纳米管。对于嵌入式应用，富士通预计将提供第一款基于Nantero技术的纳米碳管RAM。

这个策略是为逻辑电路做嵌入式存储器。富士通将在2019年扩大这一规模。来自Nantero的Doller说道，“与此同时，我们正在研发的是一款与DRAM兼容的高容量设备。这将与DRAM展开竞争。”

因此，下一代存储器正在不断推进，为OEM厂商提供了大量的选择。但要成为主流设备，对于它们来说，还有很长一段路要走。