未來(lái)新型存儲(chǔ)器技術(shù)將主導(dǎo)存儲(chǔ)器市場(chǎng) 其中FeRAM有什么競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)

存儲(chǔ)器是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的風(fēng)向標(biāo)和最大細(xì)分市場(chǎng)，約占半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的三分之一。智能時(shí)代的到來(lái)，將引起存儲(chǔ)行業(yè)的新一輪爆發(fā)。新的存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器架構(gòu)已經(jīng)籌劃了很長(zhǎng)時(shí)間，但仍未被廣泛采用。然而，許多業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為臨界點(diǎn)已然將近。

存儲(chǔ)器是現(xiàn)代信息系統(tǒng)最關(guān)鍵的組件之一，已經(jīng)形成主要由DRAM與NAND Flash構(gòu)成的超千億美元的市場(chǎng)。隨著萬(wàn)物智聯(lián)時(shí)代的到來(lái)，人工智能、智能汽車(chē)等新興應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)存儲(chǔ)提出了更高的性能要求，促使新型存儲(chǔ)器迅速發(fā)展，影響未來(lái)存儲(chǔ)器市場(chǎng)格局。

新型存儲(chǔ)器是未來(lái)選擇

據(jù)YOLE統(tǒng)計(jì)，2019年以來(lái)，存儲(chǔ)器成為半導(dǎo)體增速最快的細(xì)分行業(yè)，總體市場(chǎng)空間將從2019年的1110億美元增長(zhǎng)至2025年的1850億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為9%。細(xì)分市場(chǎng)中，新型存儲(chǔ)器市場(chǎng)增速最快，將從5億美元增長(zhǎng)到40億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到42%，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

存儲(chǔ)器可以按照斷電是否能保存數(shù)據(jù)分為兩類。

· 第一類易失性存儲(chǔ)器是以動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）和靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）代表的易失性存儲(chǔ)器，二者均具備高讀寫(xiě)速度。其中SRAM速度高于DRAM，但密度低于DRAM，這是因?yàn)橐粋€(gè)DRAM存儲(chǔ)單元僅需一個(gè)晶體管和一個(gè)小電容，而每個(gè)SRAM單元需要四到六個(gè)晶體管。其共同的缺點(diǎn)是容量較低且成本高，一般分別用作主存和緩存。

· 第二類非易失性存儲(chǔ)器包括以NOR FLASH和NAND FLASH為代表的傳統(tǒng)存儲(chǔ)器和四種新型存儲(chǔ)器。NOR FLASH的容量較小且寫(xiě)入速度極低，但讀速較快，具備芯片內(nèi)執(zhí)行的特點(diǎn)，適合低容量、快速隨機(jī)讀取訪問(wèn)的場(chǎng)景；NAND FLASH的容量大成本較低，但讀寫(xiě)速度極低，一般用于大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

存儲(chǔ)器的發(fā)展取決于應(yīng)用場(chǎng)景的變化。

20世紀(jì)70年代起，DRAM進(jìn)入商用市場(chǎng)，并以其極高的讀寫(xiě)速度成為存儲(chǔ)領(lǐng)域最大分支市場(chǎng)；功能手機(jī)出現(xiàn)后，迎來(lái)NOR Flash市場(chǎng)的爆發(fā)；進(jìn)入PC時(shí)代，人們對(duì)于存儲(chǔ)容量的需求越來(lái)越大，低成本、高容量的NAND Flash成為最佳選擇。

智能化時(shí)代里，萬(wàn)物智聯(lián)，存儲(chǔ)行業(yè)市場(chǎng)空間將進(jìn)一步加大，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在速度、功耗、容量、可靠性層面也將提出更高要求。而DRAM雖然速度快，但功耗大、容量低、成本高，且斷電無(wú)法保存數(shù)據(jù)，使用場(chǎng)景受限；NOR Flash和NAND Flash讀寫(xiě)速度低，存儲(chǔ)密度受限于工藝制程。市場(chǎng)亟待能夠滿足新場(chǎng)景的存儲(chǔ)器產(chǎn)品，性能有著突破性進(jìn)展的新型存儲(chǔ)器即將迎來(lái)爆發(fā)期。

過(guò)去50年中，SRAM和DRAM已經(jīng)成為存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)的主力，F(xiàn)LASH最近幾年也加入了“戰(zhàn)場(chǎng)”。所有這些存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)在往較小的幾何結(jié)構(gòu)縮放的過(guò)程中都存在問(wèn)題，部分是因?yàn)樗鼈兌际瞧矫娼Y(jié)構(gòu)。新的基于電阻開(kāi)關(guān)的存儲(chǔ)技術(shù)是金屬層結(jié)構(gòu)，消除了許多制造問(wèn)題。因此，盡管我們今天可能不愿意采用它們，但它們可能是適合未來(lái)幾代產(chǎn)品的唯一的存儲(chǔ)技術(shù)。

目前，新型存儲(chǔ)器主要有4種：相變存儲(chǔ)器（PCM），鐵電存儲(chǔ)器（FeRAM），磁性存儲(chǔ)器（MRAM），阻變存儲(chǔ)器（ReRAM）。

什么是FeRAM？

FRAM（鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器Ferroelectric RAM），也稱為FeRAM。FRAM并非使用鐵電材料，只是由于存儲(chǔ)機(jī)制類似鐵磁存儲(chǔ)的滯后行為，因此得名。FRAM晶體材料的電壓-電流關(guān)系具有可用于存儲(chǔ)的特征滯后回路。

FeRAM是利用鐵電薄膜的雙穩(wěn)態(tài)極化特性 —— 電滯回線制備的非易失性存儲(chǔ)器，將鐵電薄膜技術(shù)與集成電路工藝相結(jié)合制作鐵電存儲(chǔ)器（FeRAM），是新興的邊緣學(xué)科-集成鐵電學(xué)中電引入矚目的研究方向。

FeRAM使用了一層有鐵電性的材料，取代原有的介電質(zhì)，使得它也擁有非揮發(fā)性內(nèi)存的功能。它以鐵電物質(zhì)為原材料，將微小的鐵電晶體集成進(jìn)電容內(nèi)，通過(guò)施加電場(chǎng)，鐵電晶體的電極在兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫(xiě)入與讀取。每個(gè)方向都是穩(wěn)定的，即使在電場(chǎng)撤除后仍然保持不變，因此能將數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)扇區(qū)而無(wú)需定期更新。

FeRAM的寫(xiě)入次數(shù)可以高達(dá)1014次和10年的數(shù)據(jù)保存能力。在重寫(xiě)某個(gè)存儲(chǔ)單元之前，F(xiàn)eRAM不必擦拭整個(gè)扇區(qū)，因此數(shù)據(jù)讀寫(xiě)速度也略勝一籌。此外，F(xiàn)eRAM的低工作電壓能夠降低功耗，這對(duì)移動(dòng)設(shè)備來(lái)講是很重要的。

下面的圖表解釋了PZT晶體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)通常用作典型的鐵電質(zhì)材料。在點(diǎn)陣中具有鋯和鈦，作為兩個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)。它們可以根據(jù)外部電場(chǎng)在兩個(gè)點(diǎn)之間移動(dòng)。一旦位置設(shè)定，即使在出現(xiàn)電場(chǎng)，它也將不會(huì)再有任何移動(dòng)。頂部和底部的電極安排了一個(gè)電容器。那么，電容器劃分了底部電極電壓和極化，超越了磁滯回線。數(shù)據(jù)以“1”或“0”的形式存儲(chǔ)。

FRAM具有ROM（只讀存儲(chǔ)器）和RAM（隨機(jī)存取器）的特點(diǎn)，能兼容RAM的一切功能，并且和ROM技術(shù)一樣，是一種非易失性的存儲(chǔ)器。在高速讀寫(xiě)入、高讀寫(xiě)耐久性、低功耗和防竄改方面具有優(yōu)勢(shì)。

FeRAM是一種理想的存儲(chǔ)器，在計(jì)算機(jī)、航天航空、軍工等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，世界上許多大的半導(dǎo)體公司對(duì)此都十分重視。由于FeRAM的顯著優(yōu)點(diǎn)以及巨大的市場(chǎng)需求，國(guó)際展開(kāi)了激烈的研究競(jìng)爭(zhēng)。

目前在鐵電存儲(chǔ)器商業(yè)化中遇到的主要挑戰(zhàn)是缺少低成本的與硅基CMOS工藝集成的技術(shù)，達(dá)不到批量生產(chǎn)的原因主要是材料和存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)問(wèn)題。

· FRAM其存儲(chǔ)單元基于雙晶體管，雙電阻器單元，單元尺寸至少是DRAM的兩倍，存儲(chǔ)密度受限，成本較高。并且它的讀取是破壞性的，每次讀取后必須通過(guò)后續(xù)寫(xiě)入來(lái)抵消，以將該位的內(nèi)容恢復(fù)到其原始狀態(tài)。

· 材料方面，目前鐵電晶體材料PZT（鋯鈦酸鉛）和SBT（鉭酸鍶鉍）都存在疲勞退化、污染環(huán)境等問(wèn)題，尚未找到完美商業(yè)化的材料。

此前受限于所用鐵電物質(zhì)特性的限制，該材料應(yīng)用只局限于細(xì)分市場(chǎng)，但不久前英特爾發(fā)布的成果顯示，其記錄了FeRAM材料高達(dá)2納秒的極短訪問(wèn)時(shí)間和10億次循環(huán)范圍內(nèi)的極高寫(xiě)電阻（耐用性），意味著FeRAM有望作為下一代嵌入式DRAM技術(shù)的可行方案。該項(xiàng)業(yè)界領(lǐng)先技術(shù)可提供更大內(nèi)存資源和低時(shí)延讀寫(xiě)能力，用于解決從游戲到人工智能等計(jì)算應(yīng)用所面臨的日益復(fù)雜的問(wèn)題。

上圖右側(cè)展現(xiàn)的是英特爾研發(fā)的低延遲內(nèi)存技術(shù)：FeRAM。這種芯片將鐵元素引入芯片的制造，可以大大提高內(nèi)存芯片的讀寫(xiě)速度，在2納秒完成讀寫(xiě)。同時(shí)，F(xiàn)eRAM技術(shù)能夠提高內(nèi)存芯片的密度。

將FeRAM作為eDRAM也非常有趣。FeRAM鐵電存儲(chǔ)器本身和NAND閃存一樣屬于非易失性存儲(chǔ)，同時(shí)FeRAM還具備低延遲、高耐久和支持直接覆蓋寫(xiě)入等特點(diǎn)，使得可以作為SRAM的一個(gè)補(bǔ)充，提供更大緩存容量的同時(shí)還具備斷電不丟數(shù)據(jù)的特殊能力。英特爾會(huì)如何利用FeRAM的這些特性還有待后續(xù)觀察。