一文讀懂｜三大新興存儲(chǔ)技術(shù)：MRAM、RRAM和PCRAM

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、人工智慧(AI)、5G、工業(yè)4.0等應(yīng)用推升資訊量呈現(xiàn)爆炸性的成長(zhǎng)，所有資料都必須在邊緣搜集，并且從邊緣到云端的多個(gè)層級(jí)進(jìn)行處理和傳輸、儲(chǔ)存和分析。

在如此龐大的資料儲(chǔ)存、傳輸需求下，在DRAM、SRAM以及NAND Flash等傳統(tǒng)記憶體已逐漸無(wú)法負(fù)荷，且再加上傳統(tǒng)記憶體的制程微縮愈加困難的情況之下，驅(qū)使半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)向發(fā)展更高儲(chǔ)存效能、更低成本同時(shí)又可以朝制程微縮邁進(jìn)的新興記憶體。

其中有3種存儲(chǔ)器表現(xiàn)突出 —— MRAM、RRAM和PCRAM。

存儲(chǔ)器，作為半導(dǎo)體元器件中重要的組成部分，在半導(dǎo)體產(chǎn)品中比重所占高達(dá)20%，是一個(gè)重要的半導(dǎo)體產(chǎn)品類型。目前存儲(chǔ)器行業(yè)的主要矛盾是日益增長(zhǎng)的終端產(chǎn)品性能需求和尚未出現(xiàn)重大突破的技術(shù)之間的矛盾，具體一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，是內(nèi)存和外存之間巨大的性能差異造成了電子產(chǎn)品性能提升的主要瓶頸。

同時(shí)，我們不希望讓摩爾定律增速放緩限制人工智能時(shí)代的計(jì)算增長(zhǎng)，我們是否為半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造提供了一個(gè)新的劇本。這一戰(zhàn)略思想支撐著今天針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算推出的新一代高容量記憶體制造系統(tǒng)。

MRAM（Magnetic RAM）

MRAM（磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器）它靠磁場(chǎng)極化而非電荷來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)單元由自由磁層、隧道柵層、固定磁層組成。自由磁層的磁場(chǎng)極化方向可以改變，固定層的磁場(chǎng)方向不變，當(dāng)自由層與固定層的磁場(chǎng)方向平行時(shí)，存儲(chǔ)單元呈現(xiàn)低電阻；反之呈高電阻，通過(guò)檢測(cè)存儲(chǔ)單元電阻的高低，即可判斷所存數(shù)據(jù)是0還是1。

MRAM當(dāng)中包括很多方向的研究，如微波驅(qū)動(dòng)、熱驅(qū)動(dòng)等等，傳統(tǒng)的MRAM和STT-MRAM是其中最重要的兩大類，它們都是基于磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，只是驅(qū)動(dòng)自由層翻轉(zhuǎn)的方式不同，前者采用磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，后者采用自旋極化電流驅(qū)動(dòng)。

對(duì)于傳統(tǒng)的MRAM，由于在半導(dǎo)體器件中本身無(wú)法引入磁場(chǎng)，需要引入大電流來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，因而需要在結(jié)構(gòu)中增加旁路。因此，這種結(jié)構(gòu)功耗較大，而且也很難進(jìn)行高密度集成（通常只有20-30F2）。若采用極化電流驅(qū)動(dòng)，即STT-MRAM，則不需要增加旁路，因此功耗可以降低，集成度也可以大幅提高。

MRAM的研發(fā)難度很大，其中涉及非常多的物理。磁性隧道結(jié)看似簡(jiǎn)單實(shí)則相當(dāng)復(fù)雜。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，很多材料都是在幾個(gè)納米，特別是對(duì)于MgO隧道層，要求只有1.3nm，并且是要完美的單晶。

MRAM特點(diǎn)

· 非易失：鐵磁體的磁性不會(huì)由于斷電而消失，故MRAM具備非易失性。

· 讀寫次數(shù)無(wú)限：鐵磁體的磁性不僅斷電不會(huì)消失，而是幾乎可以認(rèn)為永不消失，故MRAM和DRAM一樣可以無(wú)限次重寫。

· 寫入速度快、功耗低：MRAM的寫入時(shí)間可低至2.3ns，并且功耗極低，可實(shí)現(xiàn)瞬間開(kāi)關(guān)機(jī)并能延長(zhǎng)便攜機(jī)的電池使用時(shí)間。

· 和邏輯芯片整合度高：MRAM的單元可以方便地嵌入到邏輯電路芯片中，只需在后端的金屬化過(guò)程增加一兩步需要光刻掩模版的工藝即可。再加上MRAM單元可以完全制作在芯片的金屬層中，甚至可以實(shí)現(xiàn)2~3層單元疊放，故具備在邏輯電路上構(gòu)造大規(guī)模內(nèi)存陣列的潛力。

但是MRAM最大的缺點(diǎn)是存儲(chǔ)單元之間存在干擾，當(dāng)對(duì)目標(biāo)位進(jìn)行編程時(shí)，非目標(biāo)位中的自由層很容易被誤編程，尤其是在高密度情況下，相鄰單元間的磁場(chǎng)的交疊會(huì)愈加嚴(yán)重。

PCRAM（Phase Change RAM）

另一類新型存儲(chǔ)器是PCRAM（相變隨機(jī)存儲(chǔ)器），它也是一種三明治的結(jié)構(gòu)，中間是相變層（和光盤材料一樣，GST），這種材料的一個(gè)特性是會(huì)在晶化（低阻態(tài)）和非晶化（高阻態(tài)）之間轉(zhuǎn)變，利用材料晶態(tài)和非晶態(tài)之間轉(zhuǎn)化后導(dǎo)電性的差異來(lái)存儲(chǔ)信息，過(guò)程主要可以分為SET和RESET兩步。

注：相變材料在晶態(tài)和非晶態(tài)的時(shí)候電阻率差距相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，使得其具有較高的噪聲容限，足以區(qū)分“ 0”態(tài)和“ 1”態(tài)。目前各機(jī)構(gòu)用的比較多的相變材料是硫?qū)倩铮ㄓ⑻貭枮榇恚┖秃N、銻、碲的合成材料（GST），如Ge2Sb2Te5（意法半導(dǎo)體為代表）。

· 當(dāng)材料處于非晶態(tài)時(shí)，升高溫度至高于再結(jié)晶溫度但低于熔點(diǎn)溫度，然后緩慢冷卻（這一過(guò)程是制約PCM速度的關(guān)鍵因素），材料會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)（這一步驟被稱為SET），此時(shí)材料具有長(zhǎng)距離的原子能級(jí)和較高的自由電子密度，故電阻率較低。

· 當(dāng)材料處于晶態(tài)時(shí)，升高溫度至略高于熔點(diǎn)溫度，然后進(jìn)行淬火迅速冷卻，材料就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)（這一步驟被稱為RESET），此時(shí)材料具有短距離的原子能級(jí)和較低的自由電子密度，故電阻率很高。

PCRAM特點(diǎn)

· 低延時(shí)、讀寫時(shí)間均衡：與NANDflash相比，PCM在寫入更新代碼之前不需要擦除以前的代碼或數(shù)據(jù)，故其速度比NAND有優(yōu)勢(shì)，讀寫時(shí)間較為均衡。

· 壽命長(zhǎng)：PCM讀寫是非破壞性的，故其耐寫能力遠(yuǎn)超過(guò)閃存，用PCM來(lái)取代傳統(tǒng)機(jī)械硬盤的可靠性更高。

· 功耗低：PCM 沒(méi)有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，保存代碼或數(shù)據(jù)也不需要刷新電流，故PCM的功耗比HDD，NAND，DRAM都低。

· 密度高：部分PCM采用非晶體管設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ)。

· 抗輻照特性好：PCM存儲(chǔ)技術(shù)與材料帶電粒子狀態(tài)無(wú)關(guān)，故其具有很強(qiáng)的抗空間輻射能力，能滿足國(guó)防和航天的需求。

但是目前PCM存在的問(wèn)題有：在當(dāng)一個(gè)器件單元中的相變材料處在高溫熔化狀態(tài)時(shí)，熱擴(kuò)散可能會(huì)使相鄰的器件單元也發(fā)生相變，從而導(dǎo)致存儲(chǔ)信息的錯(cuò)誤；目前二極管作為選通管是高密度PCM的一個(gè)主要選擇，但其制備工藝會(huì)導(dǎo)致同一字線上相鄰二極管之間會(huì)形成寄生三極管，而寄生三極管的串?dāng)_電流又會(huì)影響數(shù)據(jù)穩(wěn)定性；材料發(fā)生非晶態(tài)和晶態(tài)之間的轉(zhuǎn)變時(shí)，其體積會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而可能導(dǎo)致相變材料和與其接觸的電極材料發(fā)生剝離，器件失效。

PRAM目前發(fā)展到了另外一個(gè)領(lǐng)域：Intel和美光2015年聯(lián)合推出了3D Xpoint技術(shù)。3D Xpoint技術(shù)的存儲(chǔ)單元的確是PRAM，但它找到了一種合適的選擇管，即1R1D的結(jié)構(gòu)而不是1R1T結(jié)構(gòu)，這和三星的方向完全不同。

3D Xpoint技術(shù)在非易失存儲(chǔ)器領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了革命性突破，雖然其速度略微比DRAM慢，但其容量卻比DRAM高，比閃存快1000倍。但也有明顯缺點(diǎn)：3D Xpoint采用堆迭結(jié)構(gòu)，目前一般是兩層結(jié)構(gòu)。堆迭層數(shù)越多，需要的掩模板個(gè)數(shù)就越多，而在整個(gè)IC制造工業(yè)中，掩模板占到了成本的最大份額。因此，從制造的角度來(lái)說(shuō)，要想實(shí)現(xiàn)幾十層的3D堆迭結(jié)構(gòu)非常困難。

RRAM（Resistive RAM）

RRAM相比MRAM和PRAM，研究要稍晚。雖然這個(gè)現(xiàn)象早在1962年就被報(bào)道了，但沒(méi)有引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。直到2000年，美國(guó)休斯敦大學(xué)在APL上發(fā)表了一篇關(guān)于“在龐磁阻氧化物薄膜器件中發(fā)現(xiàn)電脈沖觸發(fā)可逆電阻轉(zhuǎn)變效應(yīng)”的文章后，夏普公司買了該專利，才對(duì)RRAM開(kāi)始了業(yè)界的開(kāi)發(fā)，自此以后才引起學(xué)術(shù)界和業(yè)界的研究。主流存儲(chǔ)器廠商也紛紛投入力量，開(kāi)始對(duì)RRAM的研究。RRAM也已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)室階段進(jìn)入到企業(yè)的研發(fā)階段。

典型的RRAM（阻變式存儲(chǔ)器）由兩個(gè)金屬電極夾一個(gè)薄介電層組成，介電層作為離子傳輸和存儲(chǔ)介質(zhì)。RRAM看上去和PRAM相類似，只是中間的轉(zhuǎn)變層的原理不同。相變是材料在晶態(tài)和非晶態(tài)之間轉(zhuǎn)變，而阻變是通過(guò)在材料中形成和斷開(kāi)細(xì)絲（filament，即導(dǎo)電通路）來(lái)探測(cè)結(jié)構(gòu)的高低阻態(tài)。

選用材料的不同會(huì)對(duì)實(shí)際作用機(jī)制帶來(lái)較大差別，但本質(zhì)都是經(jīng)由外部刺激（如電壓）引起存儲(chǔ)介質(zhì)離子運(yùn)動(dòng)和局部結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而造成電阻變化，并利用這種電阻差異來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。目前最被接受的RRAM機(jī)理是導(dǎo)電細(xì)絲理論，基于細(xì)絲導(dǎo)電的器件將不依賴于器件的面積，故其微縮潛力很大。RRAM所選用的材料多為金屬氧化物，此外硫化物及有機(jī)介質(zhì)材料也受到了一定的關(guān)注。

RRAM特點(diǎn)

· 高速度：RRAM擦寫速度由觸發(fā)電阻轉(zhuǎn)變的脈沖寬度決定，一般小于100ns。

· 耐久性：RRAM讀寫和NAND不同，采用的是可逆無(wú)損害模式，從而可以大大提高其使用壽命。

· 具備多位存儲(chǔ)能力：部分RRAM材料還具備多種電阻狀態(tài)，使得當(dāng)個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)多位數(shù)據(jù)成為可能，從而提高存儲(chǔ)密度。

RRAM的存儲(chǔ)器矩陣可以分為無(wú)源矩陣和有源矩陣兩種，無(wú)源矩陣的存儲(chǔ)單元由一個(gè)阻變?cè)约耙粋€(gè)非線性元件（一般使用二極管）相連，后者的作用是使阻變?cè)玫胶线m的分壓，從而避免阻變?cè)幱诘妥钁B(tài)時(shí)，存儲(chǔ)單元讀寫信息丟失。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，工藝微縮性好，但采用無(wú)源矩陣會(huì)使相鄰單元間不可避免地存在干擾。有源單元?jiǎng)t由晶體管來(lái)控制阻變?cè)淖x寫與擦除，雖可良好隔離相鄰單元的干擾，但其設(shè)計(jì)更復(fù)雜，且器件可微縮性較差。

從容量上看，這三類新型存儲(chǔ)器，MRAM最高達(dá)4Gb，PRAM最高達(dá)8Gb，RRAM最高達(dá)32Gb。它們和閃存相比，容量差別還很大，但是不要忘記，這三者的讀寫速度都比閃存要快1000倍以上。

結(jié)語(yǔ)

新興內(nèi)存技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)幾十年，如今發(fā)展到一個(gè)在更多應(yīng)用中表現(xiàn)更重要的關(guān)鍵期，預(yù)計(jì)在2029年，這些新興內(nèi)存市場(chǎng)可望創(chuàng)造200億美元的合并收入。另一方面，由于未來(lái)的制程微縮和規(guī)模經(jīng)濟(jì)提升將促使價(jià)格降低，并開(kāi)始將新興內(nèi)存作為獨(dú)立芯片以及嵌入于ASIC、微控制器(MCU)以及甚至運(yùn)算處理器中，從而使其變得比現(xiàn)有的內(nèi)存技術(shù)更具競(jìng)爭(zhēng)力。

新興的內(nèi)存涵蓋廣泛的技術(shù)，值得觀察的重點(diǎn)在于MRAM、PCRAM和RRAM。然而現(xiàn)在說(shuō)誰(shuí)將勝出還為時(shí)過(guò)早，盡管新興內(nèi)存技術(shù)的未來(lái)前景光明，但他們?nèi)匀缓茈y打入一些根深蒂固的技術(shù)市場(chǎng)。即使經(jīng)濟(jì)效益有所提升，新興內(nèi)存也很難顛覆現(xiàn)有市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。如果無(wú)法在成本方面勝出，那么無(wú)論誰(shuí)比這些根深蒂固的技術(shù)擁有再多的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，也并不代表什么。

總而言之，AI、5G、IoT和工業(yè)4.0等發(fā)展讓資訊量呈現(xiàn)爆炸式的成長(zhǎng)，全新的運(yùn)算需求驅(qū)動(dòng)記憶體朝更高容量、高讀寫次數(shù)、更快讀寫速度、更低功耗發(fā)展；而新興記憶體除滿足上述需求外，和傳統(tǒng)記憶體相比，還可實(shí)現(xiàn)制程微縮化，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)遂積極投入新興記憶體發(fā)展，期能在未來(lái)取代DRAM、Flash和SRAM三大主流記憶體產(chǎn)品。