浅析各类新兴存储器的差别

新兴存储器(emerging memory)现在多指的是新的非挥发性存储器，最主要包括相变半导体(Phase Change Memory；PCM)、可变电阻式存储器(Resistive RAM；ReRAM)以及MRAM。这些新兴存储器目前都在竞争储存级存储器(Storage Class Memory；SCM)的核心位置。

有许多比较各种新兴存储器的基准指标，包括写入速度、功耗、耐久性、资料保存期限、可扩展性(scalability)等。但新兴存储器的材料、结构、甚至工作机制，都还在快速进展之中，单看这些数据并不能有较远的能见度。我学物理，喜欢从基础工作机制看起。

PCM利用硫化物(chalcogenide)－特别是Ge2Sb2Te5(GST) －的特性，加高温让它变成晶体(crystalline)或非晶(amorphous)状态－两种相。晶体相导电性高，通常代表状态「1」；非晶相导电性低，通常代表状态「0」。由于在常温下这两种相都是稳定的，就可以当非挥发性存储器。PCM也有用雷射来转换物质相态的方法。

ReRAM则是用过渡金属氧化物(Transition Metal Oxide；TMD)薄膜，譬如HfO2－这可是咱们工研院开发完成的技术，当成记忆单元。当氧化物上下的电极施加偏压超过临界值时，氧化物中的氧就会变成空隙(vacancy)，氧离子和此空隙就可以像电子和电洞自由移动，形成高导电态。而这高、低导电态，就可以形成「1」与「0」。ReRAM的材料众多，性能有可能再提高。

MRAM则是由磁穿坠结(Magnetic Tunnel Junction；MTJ)当记忆单元，此MTJ由二铁磁层：一自由层、一固定层，中间夹一层薄氧化层所形成，像三明治。当此二铁磁层的磁化方向相同，是低电阻态，代表「1」 ；此二铁磁层的磁化方向相反，是高电阻态，代表「0」。自由层的磁化方向可以由被极化的电流由所携带的自旋流(spin current)所翻转，这就是所谓的自旋转矩移转(Spin Torque Transfer；STT)。这个翻转磁矩的机制还在改进之中。

以前MRAM常被诟病的是其所需写入电流大、功耗大、写入速度慢。这个刻板印象可以试着从基础机制来判别。PCM和ReRAM的状态改变都牵涉到原子键结的断裂以及原子的重新排列，而MRAM的状态改变仅牵涉到原子中外层电子的自旋方向翻转，二者所需的能量有数量级的差别。

那么为什么以前MRAM需要那么高的写入电流？第一代的MRAM翻转磁矩用的方法是在导在线通过电流以产生磁场，以此磁场翻转磁矩。但是因为只有一小部份的磁场被真正用于翻转磁矩，效率不彰，所以能耗很大。现在的STT让电流的自旋直接通过铁磁层，直接作用效率高多了。

目前用于替代L3 cache的嵌入式MRAM，写入电流降至数十nA，写入速度10ns，已经可以满足需求了。但用STT机制来翻转磁矩，因为电子质量轻，转矩还是小。现在研究发展中的自旋轨域转矩(Spin Orbit Torque；SOT)产生力矩的是原子，原子较电子重多了，产生的力矩大，实验证据显示效率还可以有数量级的改进。

PCM与ReRAM还有一个隐忧。由于改变存储器状态牵涉到原子键结的断裂以及重组，每写一次，材料就受一次摧残，所以耐久性的表现略逊。

现在各新兴存储器的发展各占区位，MRAM在嵌入式的应用站稳位置，PCM和ReRAM则往SCM方向发展，ASML的SCM技术路标上的两个竞争者就是PCM和ReRAM，虽然现在ReRAM的实际容量还小。但是未来真正的决胜点，我认为是哪里一种新兴存储器能做到真正的3D制程，而不是cross-point，这样才有可能在价格上与3D NAND竞争，但这是后话了。