國(guó)內(nèi)存儲(chǔ)也有一些創(chuàng)新,長(zhǎng)江存儲(chǔ)的Xtacking結(jié)構(gòu),和前邊提到的4D結(jié)構(gòu)類(lèi)似,把CuA單元放在頂層,一樣也是蓋高樓,64層,然后往更多的96層,100層+往上走。但樓層越蓋越高,容量肯定越來(lái)越大,各方面也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題,可靠性和性能方面會(huì)有受到影響。
關(guān)于SSD還有人預(yù)測(cè),NAND工藝可能終止在2020年的10nm。相比較而言,HDD傳統(tǒng)磁盤(pán)容量進(jìn)展緩慢,到2015年HDD到10TB,2020年估計(jì)可以到40TB,2025年可能到100TB,有一些新技術(shù),比如熱輔助寫(xiě)入等可能還會(huì)使傳統(tǒng)磁盤(pán)在容量上走得更長(zhǎng)遠(yuǎn),但已經(jīng)跟SSD拉開(kāi)了很大差距。因?yàn)镾SD至2018年底已經(jīng)達(dá)到128TB。
超大型數(shù)據(jù)中心用戶自研的SSD未來(lái)占比會(huì)不斷提升,它可能不會(huì)去買(mǎi)現(xiàn)有商用設(shè)備,因?yàn)槌杀咎?,因此通過(guò)自研來(lái)增加存儲(chǔ)容量和性能,所占比例正在快速的增長(zhǎng)。
閃存技術(shù)到了相對(duì)比較成熟的階段,但可能還會(huì)有一些進(jìn)展,技術(shù)還有一些發(fā)展,一些新型技術(shù)也在研究和出現(xiàn),其中之一就是被稱為阻變存儲(chǔ)技術(shù)。
阻變存儲(chǔ)技術(shù)(RRAM)
這個(gè)技術(shù)存在原因是發(fā)現(xiàn)某些材料,目前最多的是過(guò)度金屬氧化物,基本上都有這種特性,它的薄膜厚度大概在50nm,如果兩端加了電壓,電阻會(huì)發(fā)生變化。
因?yàn)檫^(guò)度金屬氧化物的薄膜其實(shí)都是一個(gè)絕緣體,不導(dǎo)電,但是通過(guò)加壓以后,發(fā)現(xiàn)電阻會(huì)變化,電壓撤掉以后,電阻還會(huì)保持在那,所以這些應(yīng)用有可能會(huì)作為存儲(chǔ)器,發(fā)現(xiàn)以后就成為一個(gè)研究的熱點(diǎn)。
左邊這張圖是切換次數(shù)和高低點(diǎn)變頻之間的一個(gè)對(duì)應(yīng)的關(guān)系,這個(gè)圖是500次開(kāi)關(guān)以后,高低的變頻基本上沒(méi)有變化,右邊是一個(gè)結(jié)構(gòu),所謂的結(jié)構(gòu)上下是電極,中間有一層功能材料,這個(gè)材料是薄膜,目前大部分是金屬氧化物,比如說(shuō)氧化鋅、氧化鈦等等,這些薄膜會(huì)受電壓的變化,它的電阻會(huì)在高和低之間切換,這是所謂的阻變存儲(chǔ)。
剛才提到大家對(duì)閃存結(jié)構(gòu)和機(jī)理清楚,但對(duì)于阻變的機(jī)理還不是很清楚,學(xué)術(shù)界有一些研究成果,比如導(dǎo)電切換機(jī)制分成三類(lèi)——電化學(xué)金屬化機(jī)制,價(jià)電改變機(jī)制和熱化學(xué)機(jī)制。其中在電化學(xué)金屬研究中提出和一個(gè)導(dǎo)電細(xì)絲形成有關(guān),通過(guò)兩端加壓形成導(dǎo)電細(xì)絲,引起電阻的變化。所以導(dǎo)致離子遷移或者氧化還原反應(yīng)的過(guò)程。這能解釋一部分材料結(jié)構(gòu)阻變情況,但不能解決所有的阻變情況。
剛才提到有多種假設(shè)來(lái)解釋氧化物的阻變過(guò)程,最廣泛的是離子遷移。通過(guò)分析大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)一些共同的特征。第一,不依賴與電場(chǎng)的極性。第二是電致電阻變換下錳氧化物材料的電阻下降。第三是材料離子化學(xué)態(tài)發(fā)生變化。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示的共有特征說(shuō)明,氧化物電致電阻變換的機(jī)制應(yīng)該不是電場(chǎng)下位遷移形成導(dǎo)電細(xì)絲模型所描述的。研究結(jié)果表明應(yīng)該考慮載流子注入效應(yīng)。在不同的電極情況下,可能它會(huì)表現(xiàn)出不同的一些現(xiàn)象,這個(gè)說(shuō)明電極也可能參與了阻變的過(guò)程,不僅僅是材料本身所引起的。
載流子注入與自束縛載流子觀點(diǎn)描繪出了相當(dāng)合理的圖像,來(lái)理解觀察到的大量不同研究組發(fā)表的多種多樣氧化物電致電阻變換行為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。綜合來(lái)看,外加電場(chǎng)下氧化物薄膜的電阻變換與引起的相關(guān)現(xiàn)象可能會(huì)開(kāi)辟出一個(gè)奇異的全新研究與應(yīng)用領(lǐng)域。也就是說(shuō)阻變可能不像開(kāi)始的時(shí)候人們理解的那樣簡(jiǎn)單,這個(gè)過(guò)程可能是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程,這是我們研究一段時(shí)間以后得出的結(jié)論。
相變技術(shù)(PRAM)
另外一種新興的存儲(chǔ)技術(shù),我們稱之為相變。由相變引起電阻的變化。因?yàn)橐M(jìn)入熔融態(tài),所以它要接受比較高的溫度,從比較大的電流進(jìn)去,單元密度比較密的時(shí)候,芯片能耗就會(huì)非常得大,所以這是相變。機(jī)理清楚,但它最主要的一個(gè)是熱的散發(fā),需要散熱。另外,盡量讓它少產(chǎn)生熱,這兩個(gè)途徑來(lái)做改進(jìn)。
市場(chǎng)預(yù)測(cè):PCM是一種非易失性存儲(chǔ)設(shè)備,存儲(chǔ)量更大,耐久性更強(qiáng),讀寫(xiě)速度更快,PCM的優(yōu)勢(shì)在未來(lái)不僅會(huì)逐漸取代現(xiàn)有存儲(chǔ)器市場(chǎng)的大多數(shù),而且將會(huì)大大擴(kuò)展現(xiàn)有的存儲(chǔ)器市場(chǎng),前景極為可觀,預(yù)計(jì)2025年市場(chǎng)規(guī)??膳c當(dāng)前半導(dǎo)體市場(chǎng)相當(dāng)。
2016年5月,IBM發(fā)布了每個(gè)存儲(chǔ)單元可以保存三位數(shù)據(jù)的相變存儲(chǔ)技術(shù)。相變存儲(chǔ)器能讓PC和手機(jī)瞬間啟動(dòng),讓?xiě)?yīng)用快速加載。如果能克服現(xiàn)有不足的話,相變的前景會(huì)非常好。
既然相變有這個(gè)優(yōu)勢(shì),學(xué)術(shù)界也做了很多研究,比如超晶格相變薄膜材料。比如Si/Sb(銻),它在離散電壓脈沖下比其他材料要低47%,這說(shuō)明它的功耗就低了。功耗一低,它的散熱程度也會(huì)大大下降,這是在相變上做的一些探索性的研究。
另外一種,不通過(guò)熔融態(tài)去改變它的狀態(tài),而是通過(guò)電子空穴注入,改變了Ge原子的位置,這樣沒(méi)有一個(gè)熔融的過(guò)程,能耗降低,速度會(huì)更快一些。置位脈沖時(shí)間和電壓的關(guān)系,以及電阻和復(fù)位電流的關(guān)系,電阻和置位復(fù)位循環(huán)。高低電阻沒(méi)有很大的變化,說(shuō)明這種情況在機(jī)理上還是可以有優(yōu)勢(shì)的。
磁性存儲(chǔ)(STT-MRAM)
目前大家談?wù)摫容^多的是磁存儲(chǔ)器。早期的是FIMS,現(xiàn)在稱為新的一代STT-MRAM,使得功耗大大下降,當(dāng)然體積也有很大的改進(jìn)。從原來(lái)需要大概10毫安的電流,現(xiàn)在可能是150微安左右,所以STT-MRAM的前景也是非??春?,可能會(huì)是成為非易失存儲(chǔ)領(lǐng)域有競(jìng)爭(zhēng)力的候選者。
STT-MRAM已經(jīng)開(kāi)始實(shí)現(xiàn)商用。但目前容量有限,要擴(kuò)大市場(chǎng),需要實(shí)現(xiàn)大容量化,一旦容量有進(jìn)展,它的讀寫(xiě)性能和疲勞特性都會(huì)比閃存高出好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
它的問(wèn)題是目前存在準(zhǔn)確集約,包括溫度、位置電壓、尺寸等相關(guān)器件參數(shù)的宏模型,也沒(méi)有一個(gè)高可靠的EDA工具的支持,成為阻礙大容量STT-MRAM大批量工業(yè)生產(chǎn)的重要因素。
同時(shí),另一個(gè)亟待解決的問(wèn)題是如何將磁隧道結(jié)的制造與CMOS工藝完美結(jié)合,并不斷隨著工藝進(jìn)步而快速調(diào)整。它帶有磁性,傳統(tǒng)工藝沒(méi)有磁性,所以流水線是不兼容的,這也是需要解決的問(wèn)題。
鐵電存儲(chǔ)(FRAM)
鐵電材料非常奇怪,它天生就有一個(gè)電場(chǎng)極性,這個(gè)極性會(huì)隨著外電場(chǎng)的變化而變化,它中間的金屬原子不是固定在一個(gè)位置,而是隨著電場(chǎng)的偏移而偏移。
鐵電存儲(chǔ)是比較早提出來(lái)的,但早期因?yàn)橛幸粋€(gè)是破壞性的,這個(gè)內(nèi)容丟失了,還要把它寫(xiě)回去,這樣會(huì)浪費(fèi)很多時(shí)間和損失很多能耗。
另外結(jié)構(gòu)上的原因,容量不能做得很大,所以有小容量的產(chǎn)品,比如在智能電表或者汽車(chē)上有一些應(yīng)用,但容量太小,所以說(shuō)沒(méi)有取得非常廣泛的應(yīng)用。
鐵電存儲(chǔ)有一些新的結(jié)構(gòu),比如在單元結(jié)構(gòu)上的一些改進(jìn),把鐵電做成CMOS的結(jié)構(gòu),這樣在高速耐用性和低功耗方面可能是一個(gè)理想的解決方案。由于薄膜技術(shù)的進(jìn)展,電源電壓已經(jīng)連續(xù)下降,可以確保低功耗操作。功耗如果降下來(lái),它的發(fā)熱等等也會(huì)有改善。
從單元的角度,如果把它不斷地做一些改進(jìn),把這個(gè)MFIS插入一個(gè)絕緣層,這樣可以降低一些漏電?;蛘卟迦胍粋€(gè)MFIS進(jìn)一步提高性能,在這個(gè)上面不斷做一些改進(jìn),加一些技術(shù)層或者絕緣層,從單元上來(lái)改善鐵電的性能。
另外,它的結(jié)構(gòu)有一些新材料的發(fā)現(xiàn),有一些新結(jié)構(gòu)也提出來(lái)了,把它做成一種鐵電存儲(chǔ)的晶體管,不是通常存儲(chǔ)電容中,右邊的結(jié)構(gòu)可以避免了破壞性的讀出,在性能上有很大的改進(jìn)。
另外一種全新的概念,發(fā)現(xiàn)通量全閉合的疇結(jié)構(gòu),相對(duì)可以在更小的單元尺度上來(lái)做這個(gè)存儲(chǔ),所以可以為高密度提供一個(gè)新的途徑,這是在基礎(chǔ)科學(xué)方面的一個(gè)很大的突破。通過(guò)新的一些表征手段,也發(fā)現(xiàn)了斯格明子以及二維斯格明子產(chǎn)生,在新形存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)應(yīng)用上也帶來(lái)了一些新的可能性,只能說(shuō)可能性,因?yàn)榻^對(duì)有可能它高密度存儲(chǔ)也用,但是實(shí)際的應(yīng)用用到器件上還有一定的距離,也就是說(shuō)到現(xiàn)在還沒(méi)有一個(gè)原型的系統(tǒng)。
但是斯格明子的產(chǎn)生,也為這種系統(tǒng)提供了一種可能性,它非常小,大概只有幾個(gè)納米的尺度。但是它非常穩(wěn)定,這個(gè)也是一個(gè)非常有意思的發(fā)現(xiàn)。
因?yàn)殍F電存儲(chǔ)有很多的特性,一個(gè)是非易失、低功耗、多讀寫(xiě)次數(shù)、高存取速度、高密度。另外它還有一個(gè)特性,就是抗輻射,抗輻射的特性可以在航空航天上得到很好的應(yīng)用,應(yīng)該說(shuō)也是一個(gè)很有優(yōu)勢(shì)的存儲(chǔ)。
基于鐵電晶體管為存儲(chǔ)單元的鐵電存儲(chǔ)器,還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非破壞性獨(dú)出、遵循集成電路比例縮小原則的優(yōu)點(diǎn),未來(lái)發(fā)展前景廣闊。另外HfO2薄膜鐵電性的發(fā)現(xiàn),為鐵電存儲(chǔ)的研發(fā)打開(kāi)了一條新的通路。多值鐵電存儲(chǔ)單元將成為發(fā)展趨勢(shì),跟3D蓋樓一樣。
最后稍微總結(jié)一下,閃存來(lái)說(shuō),QLC+3D,或者4D NAND,XTacking容量將增加,但工藝極限預(yù)測(cè)是10nm,時(shí)間大約在2020年。
不過(guò)也不用太焦慮,因?yàn)榧呻娐樊?dāng)年曾經(jīng)預(yù)測(cè)90nm是極限,現(xiàn)在7nm都已經(jīng)商品化了,90nm當(dāng)時(shí)分析熱電流基本上是50%,沒(méi)辦法工作。但技術(shù)的進(jìn)步大大超出預(yù)料,90納米不僅通過(guò),而且65納米、40納米、33納米不斷地往極限進(jìn),所以現(xiàn)在預(yù)測(cè)如果閃存工藝集成終結(jié)在10納米,到2020年可能新技術(shù)突破了,所以也可能閃存在容量上還會(huì)進(jìn)一步增加。
剛才提到的相對(duì)來(lái)說(shuō)幾種新的存儲(chǔ),需要進(jìn)一步做機(jī)理探索,穩(wěn)定性、可靠性提高,相變薄膜材料,它的目的是降低熱能,離子和空間注入的TRAM可能是一種方法。從STT-MRAM看,新材料新結(jié)構(gòu)可以增加STT效益。FRAM方面是新材料、新結(jié)構(gòu)、新理論。新的存儲(chǔ)芯片技術(shù),閃存以后誰(shuí)將成為主流芯片?取代現(xiàn)在閃存主流的位置,這現(xiàn)在還不太好說(shuō),就我個(gè)人而言,F(xiàn)RAM應(yīng)該更有可能成為取代閃存的存儲(chǔ)新技術(shù)。
評(píng)論
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