新興存儲技術(shù)的詳細(xì)知識分析

當(dāng)下，新興存儲技術(shù)越來越受到業(yè)界的矚目，如PCM、MRAM、ReRAM、FRAM等存儲器已經(jīng)蟄伏待機(jī)了幾十年，以尋求適合其自身特點(diǎn)的應(yīng)用機(jī)會，今天看來它們的機(jī)會真的到來了。

實(shí)際上，在以上提到的幾種存儲類型中，有一些已經(jīng)批量生產(chǎn)了，且這些芯片也帶來了較好的銷售收入。隨著先進(jìn)的邏輯處理制程節(jié)點(diǎn)驅(qū)動復(fù)雜的處理器和ASIC采用新興的、具有持久存儲能力的技術(shù)，市場有望出現(xiàn)顯著轉(zhuǎn)變。與此同時，業(yè)界大佬英特爾已開始積極推廣其新的3D XPoint存儲器，用作高級計算的非易失性內(nèi)存。SNIA(Storage Networking Industry Association)、JEDEC和其他標(biāo)準(zhǔn)組織，以及Linux社區(qū)和主要軟件公司正在努力建立必要的標(biāo)準(zhǔn)和生態(tài)系統(tǒng)，以支持這些新存儲技術(shù)的持久性發(fā)展。

本文將從多個角度審視新興存儲器技術(shù)，并預(yù)測這些技術(shù)如何改變芯片市場。

新興存儲技術(shù)存在的必要性

業(yè)界存在著這樣一個疑問：既然基于硅的存儲技術(shù)一直是優(yōu)選方案，為什么還要去研究非硅基存儲器呢?有改變的必要嗎?

其實(shí)，這個問題并不難回答。

硅存儲器技術(shù)得益于它們始終采用與生產(chǎn)CMOS邏輯芯片幾乎相同的工藝技術(shù)，可以利用存儲器和邏輯工藝共同開發(fā)的優(yōu)勢。實(shí)際上，在20世紀(jì)80年代中期之前，邏輯和存儲制程是相同的。直到那時，存儲市場才變得足夠大(超過50億美元/年)，它可以支持任何額外的制程工藝開發(fā)。

即便如此，存儲芯片的制程工藝和邏輯制程一直沒有大的區(qū)別，存儲器和邏輯芯片之間的這種協(xié)同作用可繼續(xù)降低制程工藝的開發(fā)成本。

幾乎所有新興存儲器技術(shù)都使用了未用于邏輯制程的新材料，因此它們不會從這種協(xié)同作用中受益。與硅相比，這些新材料并未得到很好的理解，而缺乏理解會導(dǎo)致產(chǎn)量問題。

那今，為什么新興存儲技術(shù)會在短時間內(nèi)取得快速發(fā)展呢?

考慮到NAND閃存演進(jìn)到3D的原因是平面浮動?xùn)艠O(NAND和NOR閃存的基本位單元)不能縮小到低于15nm。這是所有NAND閃存制造商將平面技術(shù)轉(zhuǎn)換為3D的主要原因。

眼下，半導(dǎo)體行業(yè)最先進(jìn)的邏輯工藝已經(jīng)微縮到10nm以下，現(xiàn)在，臺積電已經(jīng)開始量產(chǎn)7nm芯片了?；谶@些邏輯制程工藝構(gòu)建的SoC將通過包含固件的非易失性存儲器受益，但存儲器需要在15nm工藝上生成。采用7nm邏輯制程和15nm閃存的芯片，可能不如使用15nm工藝的邏輯和存儲器芯片。從這個角度來看，似乎不可避免地需要一些新技術(shù)來使非易失性存儲器繼續(xù)隨邏輯芯片同步發(fā)展。

如果為邏輯芯片開發(fā)新的存儲技術(shù)，那么開發(fā)的工藝技術(shù)可以應(yīng)用于獨(dú)立的存儲器芯片，而且成本非常適中。這意味著分立式新興存儲芯片市場也可能有大發(fā)展。但是，這種情況下還有其他因素在起作用，具體內(nèi)容下文會有介紹。

人們已經(jīng)花費(fèi)了相當(dāng)大的努力來開發(fā)新的存儲器，以便一旦突破其在15nm處的擴(kuò)展限制，就取代NAND。然而，NAND閃存開發(fā)商卻通過轉(zhuǎn)向3D來設(shè)法找到解決問題的方法，這使得新技術(shù)很難在短時間內(nèi)攻克NAND市場。因此，新興存儲器公司已經(jīng)轉(zhuǎn)移了他們的注意力，寄希望于即將出現(xiàn)的DRAM擴(kuò)展，可能是因為其制程微縮到10nm以下，將為他們的技術(shù)開辟一個重要的市場。這確實(shí)可能發(fā)生，DRAM開發(fā)人員表示，他們?nèi)匀挥性S多路徑可以進(jìn)一步擴(kuò)展，而不需要MRAM等新興的存儲技術(shù)。

從今天的角度來看，新興存儲器技術(shù)可能首先作為邏輯SoC的嵌入式存儲器，一部分先實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，隨后演進(jìn)成為分立存儲器市場的重要組成部分。

位選擇器

在介紹和定義所有新興存儲技術(shù)之前，我們需要先了解一下位選擇器(bit selectors)這個概念，原因是要用位選擇器來確定可以獲得多小的位單元，這是新存儲技術(shù)總成本的一個非常重要的考量因素和組成部分。成本非常重要，因為沒有系統(tǒng)設(shè)計人員會使用過于昂貴的組件。

或許您從未聽說過選擇器，其實(shí)它并不復(fù)雜，下面具體解釋一下。

存儲芯片中的每個位單元都需要一個選擇器，它將位單元的內(nèi)容路由到總線上，通過總線連接芯片的引腳，允許讀取或?qū)懭?。位單元技術(shù)決定著選擇器的類型：SRAM使用兩個晶體管，DRAM使用一個晶體管，閃存將晶體管與位單元連接起來，以便晶體管存儲該位并進(jìn)行選擇操作。

新興存儲技術(shù)使用的選擇器比當(dāng)今領(lǐng)先的存儲技術(shù)所需的簡單很多，它們可以使用雙端選擇器或三端選擇器，電路如下圖所示，可以看到兩者之間沒有太大區(qū)別。在這兩種情況下，選擇器通過用晶體管將其關(guān)閉來控制通過位單元的電流，或者當(dāng)電流通過二極管反轉(zhuǎn)時將其關(guān)閉。

下面介紹一下選擇器的基本原理。

第一個是電阻式RAM(ReRAM)陣列，下圖是其簡單的俯視圖。每個位單元由字線和位線的交叉點(diǎn)表示(此圖已經(jīng)過簡化，未顯示選擇器)，字線提供電流以選擇要讀取或?qū)懭肽囊恍形?。位線讀取該字線上的位，或者它允許施加到位線的電流對該位進(jìn)行編程。

位可以處于高阻態(tài)或低阻態(tài)，這里使用紅色表示高電阻狀態(tài)，綠色表示低電阻狀態(tài)，在這些狀態(tài)下，要么電流停止流動，要么允許電流通過。

如下圖所示，我們現(xiàn)在假設(shè)沒有選擇器。如果一個位置于低電阻狀態(tài)，且其字線(藍(lán)色)通電(激活)，則電流從字線通過位線(綠色)流向綠色單元。沒有其它位線接收電流，因為它們的所有位單元都處于高阻態(tài)(紅色)。

如果激活任何其他字線，則沒有電流流入任何位線，因為所有其它單元都是紅色，這意味著它們處于高電阻狀態(tài)。

但是，當(dāng)其它位處于低電阻狀態(tài)時，會出現(xiàn)問題。具體如下圖所示。

沿著位線向下流動的輸出電流也可以沿著位線向上流動到處于低電阻狀態(tài)的另一個單元，如圖中的條紋箭頭表示。該低電阻位允許電流向后流到另一個字線，并且該字線上的任何位都可以將該錯誤電流引導(dǎo)到其自己的位線上。

想象一下，該圖具有1,024 x 1,024陣列的位，并且這些位被隨機(jī)編程為50/50混合的低電阻和高電阻狀態(tài)。在不使每一個位線輸出電流的情況下，任何字線都不可能通電!

選擇器的作用就是要確保不會發(fā)生以上情況。二極管可以與位單元串聯(lián)，以防止反向電流流到其它字線上。在一些新興存儲技術(shù)中，二極管可以放在位單元的正下方，使它根本不占用空間(在Crossbar公司的設(shè)計中，選擇器實(shí)際上是位單元存儲機(jī)制的一個功能，相關(guān)的白皮書中對此進(jìn)行了詳盡的解釋)。

然而，大多數(shù)存儲器不能使用二極管作為選擇器，因為電流必須雙向通過單元。這在下文有具體說明。目前，業(yè)界仍在進(jìn)行大量的研究工作，以開發(fā)良好的雙向選擇器，其在低電壓下表現(xiàn)得像二極管，在較高電壓下表現(xiàn)為電阻器。但在大多數(shù)情況下，使用晶體管要容易得多，如上面三端選擇器原理圖所示。

但是，晶體管選擇器需要大量空間，因為字線和源線必須跨陣列運(yùn)行。通過下圖可以粗略地了解一下它的工作原理。

由于每條字線都有一條源線相隨，因此，與雙端配置一樣，半字線將適合給定區(qū)域。這使得存儲器成本大約是雙終端選擇器的兩倍。

從事新興存儲技術(shù)的開發(fā)人員會對能夠通過二極管進(jìn)行選擇的技術(shù)感到非常興奮，這是一種可以減小尺寸和成本的方法，因為芯片的成本與其面積成正比。不幸的是，大多數(shù)新興存儲技術(shù)需要正向電流寫入和反向電流擦除，因此簡單的二極管將無法工作。業(yè)界正在開發(fā)雙向選擇器，但另一個問題會妨礙它們，是什么呢?下文會討論到。

PCM似乎在這方面具有優(yōu)勢。正如將在下文解釋的那樣，PCM編程并用正向電流擦除，因此只需要一個簡單的二極管作為PCM單元的選擇器。英特爾Fellow Al Fazio是3D XPoint 存儲技術(shù)的教父，他在3D XPoint發(fā)布前兩年宣傳了這一觀點(diǎn)。然而，這似乎還不夠，需要更多的東西。

選擇器很難做到絕對正確。當(dāng)3D XPoint于2015年首次推出時，Micron的Scott deBoer表示，您可以用幾乎任何材料制作ReRAM的位單元，但選擇器卻是個棘手問題。

那么雙向選擇器有什么用呢?如果選擇器的“開”與“關(guān)”電阻的比率為100：1，并且有100條通往位線的潛行路徑，那么來自100條潛行路徑的電流將等于來自合法路徑的電流。在大型陣列中，這幾乎肯定會發(fā)生。選擇器必須具有更好的執(zhí)行能力。然而，在大多數(shù)情況下，晶體管提供更好的開/關(guān)比，并且允許雙向電流通過，因此它就成為了必要的“惡魔”。

所有這些都是為了解釋選擇器對存儲器陣列面積有顯著影響，且陣列的成本與其面積成正比。因此，與必須使用三端選擇器的存儲器相比，可以使用具有雙端選擇器的存儲器，這樣更有機(jī)會與現(xiàn)有成熟的存儲器競爭。

MRAM/ReRAM/PCM/XPoint/FRAM誰主沉浮?

PCM：也稱為PRAM，相變存儲器技術(shù)基于在正常環(huán)境溫度下無定形或結(jié)晶的材料。晶態(tài)具有低電阻，非晶態(tài)具有高電阻。

在化學(xué)和物理學(xué)中，任何無定形的物質(zhì)都被稱為液態(tài)或氣態(tài)。固態(tài)，液態(tài)和氣態(tài)也稱為“相位”。相變存儲器的名稱源于位單元在晶相和非晶相之間切換的結(jié)果。

自20世紀(jì)60年代開始研究以來，PCM 于2006年首次出貨。該技術(shù)通常基于硫?qū)倩锊Ａ?chalcogenide glasses)，英特爾/美光聯(lián)合開發(fā)的3D XPOINT內(nèi)存就是基于PCM的。PCM的最大優(yōu)勢是：它可以使用簡單的2端二極管，而不是雙向器件進(jìn)行選擇，因為在設(shè)置、復(fù)位或讀取位時電流的運(yùn)行方向相同。

MRAM：磁性RAM基于巨磁阻(GMR)，其自20世紀(jì)90年代初以來一直用于HDD記錄頭。當(dāng)多層GMR堆疊的某些層在相同方向上被磁化時，另一層將表現(xiàn)為低電阻。當(dāng)它們以相反方向磁化時，層的電阻會很高。這種磁化可以通過導(dǎo)線周圍的場(Toggle Mode MRAM)產(chǎn)生，也可以通過使正向或反向電流通過位單元(Spin-Tunnel Torque或STT MRAM)來實(shí)現(xiàn)。目前，這兩種產(chǎn)品都有出貨。

MRAM已經(jīng)獲得了大量投資，這產(chǎn)生了許多STT MRAM變體，包括垂直STT、過程自旋扭矩、旋轉(zhuǎn)軌道扭矩(SOT)等。盡管迄今為止所有設(shè)備都使用了三端選擇器，但最近的研究表明，未來幾年可能會使用雙端選擇器。

ReRAM：電阻式RAM有許多名稱，ReRAM、RRAM和Memristor是最常見的。ReRAM最廣泛的定義包括使用電阻存儲元件的任何存儲器; 包括PCM和MRAM。為了將它們區(qū)分開來，這里的ReRAM是任何非PCM或MRAM的、基于電阻的存儲技術(shù)。

大多數(shù)ReRAM中的位設(shè)置/復(fù)位機(jī)制涉及金屬絲或氧空位的產(chǎn)生和消除：原子實(shí)際上在器件內(nèi)移動。這自然會導(dǎo)致磨損，但研究人員認(rèn)為這種磨損可以大大低于NAND閃存。該過程使用正向和反向電流，這有時使得三端子選擇器比雙端子選擇器更容易使用。但是，某些ReRAM可以與雙端選擇器配合使用，某些變體甚至可以在位單元內(nèi)執(zhí)行選擇。這使得它們在單層中使用時是經(jīng)濟(jì)的，并且允許它們在多層中構(gòu)造以進(jìn)一步降低成本。

雖然大多數(shù)ReRAM使用新材料，但一些公司已經(jīng)開發(fā)出可以使用已經(jīng)用于大批量芯片生產(chǎn)的成熟材料制造。目前，某些ReRAM已經(jīng)批量出貨。

FRAM：鐵電存儲器，F(xiàn)RAM或FeRAM，但它并不使用鐵，這項技術(shù)之所以這樣命名，是因為它的機(jī)制與鐵被磁化和去磁時的機(jī)制十分類似。在一個方向上的電流將使FRAM單元內(nèi)的原子轉(zhuǎn)移到分子的一端，反向電流將它們轉(zhuǎn)移到另一端。

FRAM通常不是電阻存儲器。今天生產(chǎn)的FRAM使用破壞性讀取機(jī)制，其向單元施加寫入電壓。如果電流流動，則意味著原子從單元的一端移動到另一端，并且單元處于擦除狀態(tài)。如果沒有電流流動，則原子已經(jīng)在電池的那一端。如果讀取操作導(dǎo)致原子移動，則在讀取單元格之后必須將該原子恢復(fù)到原始位置。

最近的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RAM可以使用氧化鉿制成，氧化鉿是一種廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體工廠的材料。這是FRAM區(qū)別于其他新興存儲技術(shù)的決定性優(yōu)勢。目前的FRAM使用三端選擇器，這對其承載能力有一定限制。

其他技術(shù)：NRAM由碳納米管，石墨烯存儲器，導(dǎo)電電子RAM(CeRAM)和上述技術(shù)的變體制成，如聚合物鐵電體，鐵電隧道結(jié)(FTJ)，鐵電FET(FeFET)，界面PCM(iPCM，也稱為Superlattice PCM或TRAM)，磁電RAM(MeRAM)，Racetrack Memory等等。

綜上，當(dāng)DRAM和NAND閃存無法繼續(xù)降低成本時，所有新技術(shù)都會爭奪下一代存儲市場地位，但在此之前必須克服諸多技術(shù)和應(yīng)用障礙。

新存儲材料研究

新興存儲器的研發(fā)，必須進(jìn)行大量的測試，以準(zhǔn)確研究這些新技術(shù)和材料的性能。如果使用一批300mm晶圓進(jìn)行單次測試，特別是如果不能在該晶圓上運(yùn)行其它測試的話，成本會大幅增加。

另一個很大的困難是大多數(shù)存儲器制造商在非常高效和大批量的晶圓廠運(yùn)行晶圓，要中斷生產(chǎn)過程以注入一批測試晶圓是危險和浪費(fèi)的。大多數(shù)晶圓廠管理人員都不愿改變流程來接受實(shí)驗。

那么，可以采取哪些措施來改善這種狀況呢?

Intermolecular, Inc. (IMI)公司有一個解決方案，他們已經(jīng)建立了一個小晶圓廠，允許單個晶圓以跨越單個晶圓變化的參數(shù)進(jìn)行處理。以這種方式，一個晶圓可以同時進(jìn)行36個或更多個不同的實(shí)驗。這顯然比在36片晶圓上進(jìn)行實(shí)驗更為經(jīng)濟(jì)。

該公司稱自己為 研發(fā)外包公司。

一些讀者可能已經(jīng)猜到：這將需要特殊的工具。標(biāo)準(zhǔn)晶圓處理工具旨在為半導(dǎo)體晶圓的整個表面提供絕對一致的處理結(jié)果，IMI修改了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工具，允許研究人員在晶圓上的不同區(qū)域以受控方式改變參數(shù)。這不僅大大降低了實(shí)驗成本，還加速了工藝，將其縮短到標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體加工設(shè)施所需時間的一小部分。IMI聲稱這種方法可以加速篩查10~100次。

如上圖所示，晶片被分成若干個“斑點(diǎn)”。根據(jù)實(shí)驗之前的決定，每個斑點(diǎn)的制程都與晶圓上的任何其他斑點(diǎn)略有不同，允許在同一晶圓上表征許多變量。下圖所示為這種特征的樣本圖。

在新興存儲技術(shù)中，大多數(shù)位單元構(gòu)建在兩個金屬互連層之間，這兩個金屬互連層在生產(chǎn)過程中很晚才形成。這意味著客戶可以使用自己的工具來處理晶圓上的所有常規(guī)CMOS邏輯層，然后將其發(fā)送給IMI，以沉積最終金屬層和這些金屬層之間的位層。

IMI公司表示，他們正在表征的一些材料是MRAM，F(xiàn)RAM，無電容DRAM，F(xiàn)TJ(鐵電隧道結(jié))，相變存儲器(PCM)，硫?qū)倩铮琓RAM(拓?fù)溟_關(guān)RAM)，界面相變存儲器(iPCM)，相關(guān)電子RAM(CeRAM)和ReRAM。

IMI還在致力于其他非存儲器項目的研究，包括量子計算器件，標(biāo)準(zhǔn)HKMG邏輯(高k金屬柵極)，光伏和LED，甚至窗玻璃涂層(coatings for window glass)。

該公司官員表示，IMI已經(jīng)進(jìn)行了1,800多次實(shí)驗，并對225種新材料進(jìn)行了分類。

位于圣何塞的IMI是仍然存在于硅谷的極少數(shù)晶圓廠之一，另外還有應(yīng)用材料的Maydan技術(shù)中心，Thinfilm工廠和Lam Research的培訓(xùn)工廠。Apple于2015年從Maxim Integrated購買了一個完全式調(diào)試(fully-tooled)工廠，但不能確定它是否仍在使用。

結(jié)語

本文介紹了諸多新興存儲技術(shù)，以及這些技術(shù)對于應(yīng)用和市場的價值，還重點(diǎn)探討了它們的位選擇器，此外，還舉例說明了新存儲材料及批量生產(chǎn)情況。但這些并不是全部。之后的文章，我們還將探討這些新興存儲技術(shù)對于工藝和生產(chǎn)設(shè)備提出的要求和挑戰(zhàn)，并將詳細(xì)介紹新興的存儲器企業(yè)，還會對未來市場做出預(yù)測。敬請期待。