重回大眾視線 揭秘嵌入式存儲(chǔ)器的前世今生

　　(2)磁性存儲(chǔ)器(MRAM)

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

　　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(chǎng)極化方向是可以改變的，而固定層的磁場(chǎng)方向固定不變。當(dāng)自由層與固定層的磁場(chǎng)平行時(shí)，存儲(chǔ)單元呈現(xiàn)低阻態(tài);當(dāng)磁場(chǎng)方向相反時(shí)，存儲(chǔ)單元呈現(xiàn)高阻態(tài)。MRAM通過檢測(cè)存儲(chǔ)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(chǔ)器(PRAM)

　　PRAM的存儲(chǔ)原理是利用某些薄膜合金的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)相變存儲(chǔ)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(yīng)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(dāng)被加熱時(shí)呈晶體狀，為1狀態(tài);當(dāng)冷卻為非晶體時(shí)，為0狀態(tài)。通過改變流過該晶體的電流就可以實(shí)現(xiàn)這兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

　　圖五 相變存儲(chǔ)材料

　　(4)阻變式存儲(chǔ)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(chǔ)單元具有簡(jiǎn)單的金屬/阻變存儲(chǔ)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(chǔ)會(huì)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(dá)到皮秒量級(jí)。

　　MRAM利用磁性存儲(chǔ)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在軍事、航空航天、移動(dòng)通訊等領(lǐng)域的應(yīng)用有很大優(yōu)勢(shì)。

　　PRAM被認(rèn)為是FLASH和DRAM的替代者，讀寫速度是普通閃存的30倍，同時(shí)其擦寫壽命也是閃存的10倍。PRAM的最大優(yōu)點(diǎn)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(jìn)工藝微縮等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注?？偨Y(jié)這幾種新式存儲(chǔ)器優(yōu)缺點(diǎn)如下表所示。

　　表一 幾種存儲(chǔ)器性能對(duì)比

　　新型存儲(chǔ)器挑戰(zhàn)

　　FRAM目前作為新型存儲(chǔ)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(xiàng)前沿的研究課題，目前還主要停留在實(shí)驗(yàn)室階段。未來材料的尋找仍然是RRAM面臨的主要問題。

　　而臺(tái)積電未來選擇先生產(chǎn)的MRAM和PRAM也會(huì)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(chǔ)材料，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)周圍的芯片產(chǎn)生怎樣的影響需要仔細(xì)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(duì)于PRAM而言是個(gè)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(jìn)，單元變得越來越精細(xì)，對(duì)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(huì)制約PRAM的進(jìn)一步發(fā)展。

　　嵌入式存儲(chǔ)器未來

　　嵌入式存儲(chǔ)器具有大容量集成的優(yōu)勢(shì)，是SOC的重要組成部分，具有重要的創(chuàng)新性和實(shí)用性。何種嵌入式存儲(chǔ)器將取得最終的成功，取決于多方面的因素：能否與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容，在不斷增加復(fù)雜性的工藝步驟的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)大容量的片上集成，從而提高其性價(jià)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(kuò)展性問題，這是所有采用電容結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)信息的存儲(chǔ)器面對(duì)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(jiǎn)潔的集成系統(tǒng);準(zhǔn)確的市場(chǎng)定位，保持量產(chǎn)。

　　總而言之每項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展都有其機(jī)會(huì)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(chǎng)。