重回大眾視線 揭秘嵌入式存儲器的前世今生

　　(2)磁性存儲器(MRAM)

　　MRAM是利用材料的磁場隨磁場的作用而改變的原理所制成。利用磁存儲單元磁性隧道結(jié)(MTJ)的隧穿磁電阻效應來進行存儲。

　　如下圖四所示，MTJ有三層，最上層為自由層，中間是隧道結(jié)，下面是固定層。自由層的磁場極化方向是可以改變的，而固定層的磁場方向固定不變。當自由層與固定層的磁場平行時，存儲單元呈現(xiàn)低阻態(tài);當磁場方向相反時，存儲單元呈現(xiàn)高阻態(tài)。MRAM通過檢測存儲單元電阻的高低，來判斷所存數(shù)據(jù)是0還是1。

　　圖四 MJT結(jié)構(gòu)示意圖

　　(3)相變存儲器(PRAM)

　　PRAM的存儲原理是利用某些薄膜合金的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)相變存儲0和1的信息。通常這些合金具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)：具有低電阻的多晶狀態(tài)和具有高電阻的無定形狀態(tài)。PRAM應用硫系玻璃材料，利用硫族材料的電致相變特性，其在晶體和非晶體狀態(tài)呈現(xiàn)不同的電阻特性。當被加熱時呈晶體狀，為1狀態(tài);當冷卻為非晶體時，為0狀態(tài)。通過改變流過該晶體的電流就可以實現(xiàn)這兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

　　圖五 相變存儲材料

　　(4)阻變式存儲器(RRAM)

　　RRAM的原理是通過特定的薄膜材料的電阻值在不同電壓下呈現(xiàn)的電阻值不同來區(qū)分0和1的值。RRAM的存儲單元具有簡單的金屬/阻變存儲層/金屬(MIM)三明治結(jié)構(gòu)如圖六所示。

　　圖六 RRAM器件結(jié)構(gòu)圖

　　哪種存儲會是未來的選擇?

　　FRAM的讀寫速度主要取決于鐵電材料的極化反轉(zhuǎn)特性，根據(jù)目前理論極化反轉(zhuǎn)速度可達到皮秒量級。

　　MRAM利用磁性存儲數(shù)據(jù)，容量成本低，具有低功耗、高速存取、無限次讀寫、抗輻射能力強等優(yōu)點，在軍事、航空航天、移動通訊等領(lǐng)域的應用有很大優(yōu)勢。

　　PRAM被認為是FLASH和DRAM的替代者，讀寫速度是普通閃存的30倍，同時其擦寫壽命也是閃存的10倍。PRAM的最大優(yōu)點是高效能和低耗電。

　　RRAM具有與CMOS工藝兼容性好、低功耗、易于隨先進工藝微縮等優(yōu)點受到廣泛關(guān)注?？偨Y(jié)這幾種新式存儲器優(yōu)缺點如下表所示。

　　表一 幾種存儲器性能對比

　　新型存儲器挑戰(zhàn)

　　FRAM目前作為新型存儲器的主要問題是鐵電薄膜材料。未來發(fā)展需要解決的主要難題：一是采用3D結(jié)構(gòu)縮小單元面積提高集成度;二是提高鐵電薄膜特性。

　　RRAM還是一項前沿的研究課題，目前還主要停留在實驗室階段。未來材料的尋找仍然是RRAM面臨的主要問題。

　　而臺積電未來選擇先生產(chǎn)的MRAM和PRAM也會遇到挑戰(zhàn)。MRAM的主要問題在于其高昂的制造成本。其次MRAM依靠磁性存儲材料，磁場會對周圍的芯片產(chǎn)生怎樣的影響需要仔細考慮。

　　而PRAM的最大問題是成本和容量。目前PRAM的單位容量成本還是比NAND高不少。發(fā)熱對于PRAM而言是個大問題，由于PRAM需要加熱電阻式材料發(fā)生相變，隨著工藝越來月先進，單元變得越來越精細，對于加熱元件的控制要求也將越來越高，那發(fā)熱帶來的影響也將加大。發(fā)熱和耗電可能會制約PRAM的進一步發(fā)展。

　　嵌入式存儲器未來

　　嵌入式存儲器具有大容量集成的優(yōu)勢，是SOC的重要組成部分，具有重要的創(chuàng)新性和實用性。何種嵌入式存儲器將取得最終的成功，取決于多方面的因素：能否與標準CMOS工藝兼容，在不斷增加復雜性的工藝步驟的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)大容量的片上集成，從而提高其性價比;能否隨著工藝的發(fā)展縮小尺寸，解決超深亞微米工藝的延續(xù)性和擴展性問題，這是所有采用電容結(jié)構(gòu)存儲信息的存儲器面對的共同挑戰(zhàn);能否滿足片上其他高速邏輯的帶寬需要，構(gòu)成帶寬均衡、穩(wěn)定簡潔的集成系統(tǒng);準確的市場定位，保持量產(chǎn)。

　　總而言之每項技術(shù)的發(fā)展都有其機會與挑戰(zhàn)。而無懼挑戰(zhàn)勇于創(chuàng)新的企業(yè)最終將贏得市場。