在新的非易失性记忆

继续寻找新的非易失性记忆(NVMs)挑战现有在职者,但在任何技术都可以被接受之前,它必须被证明是可靠的。

“每个人都在寻找一个普遍的记忆”TongSwan彭日成说富士通高级营销经理。“可靠性不同的技术有不同的挑战,而不是所有人可以在汽车0应用程序。”

大部分的这些新技术属于一个类别称为“存储类记忆”或SCM。他们适合一系列散装储存技术之间如NAND flash和工作记忆如DRAM。至少有四个非易失性技术争夺这个角色,其中一些已经发现一些商业上的成功,其中没有一个看起来将是最终的赢家牺牲别人。这些记忆特点,flash,相比更容易和更快的读和写操作,包括字节寻址率。此外,读和写是对称的(或几乎如此),与之形成鲜明对比的闪存。

替代flash已经变得更有吸引力,特别是对于记忆嵌入到systems-on-chips (soc)和微控制器(mcu)。低于28 nm, flash的添加步骤变得更加昂贵由于高电压,电荷泵,和更多的面具。虽然有些公司已经超出这个极限,缩放不似乎是可持续的。说内存分析师Jim方便,客观分析的总经理,”和flash(通常用于嵌入)似乎无法得到14 nm。“这增加了对技术的需求使用系统电压和只需要2到3额外面具嵌入。

三个主要的新候选人——+ 1
有三个主要竞争者小说NVM生产,尽管有更多的早期阶段(其中一些不久我们会提到)。令人困惑的是,一些参考所有这三个“电阻记忆,”因为他们都涉及测量电阻的变化来确定。

最古老的是相变内存(极化或PCM)。这是旧CD技术涉及硫族化物材料成形温度和成为非晶在另一个。这两个国家有不同的抗性。细胞编程通过提高到适当的温度。这是英特尔和微米技术合作为他们Optane“交叉点”记忆。

图1:极化细胞。资料来源:由Cyferz形象英文维基百科

“交叉点”这个词的使用他们的品牌可以让人困惑,因为任何的这些记忆可以配置为一个相交点的记忆。有一个简单的字线和位线相互交叉的活动——类似于SRAM,但不要闪光。当一些人提到相交点记忆,他们专门提到英特尔的产品。其他人使用术语更普遍。

下一个——和最远的内存技术,磁性随机存取存储器,或MRAM。我们的重点将是当前代MRAM技术,称为自旋转矩或STT-MRAM。这涉及到两个磁性层夹层隧道的材料,称为磁隧道结,或MTJ。的一层(“固定”或“参考”层)有一个固定的极性。其他(“自由”层)有一个极性,可以设置由一个电流流过电池。电阻的隧穿电流将取决于固定和自由层平行或反平行磁化。MRAM一直在使用一段时间各种形式。

图2:MRAM单元。来源:Cyferz维基百科(公开)

最后,还有电阻RAM (RRAM或ReRAM),其名称可以混淆这些都是电阻技术。主要有两种口味的RRAM——一个从电极材料的迁移在创建一个跨介质导电丝,和另一个氧离子和空缺迁移创建一个导电路径(或没有)。这是一个更开放的范畴,与大量的实验找到最佳配方。

“RRAM是吸引大量的材料细胞,”托马斯说Brozek,高级研究员PDF的解决方案(公司,而不是一个内存供应商,帮助供应商描述和评价技术启动、暴露他们的很多低级问题,必须解决)。

图3:概念RRAM细胞状态。来源:Adesto

所有这些技术的一个挑战是有一定的内在特性转化的编程机制,在flash中不存在或DRAM。写一个值到一个细胞可能导致错误的值。这不是电池本身的错。下次,也许完美的计划。这就变成了问题,必须通过相应减轻电路像一个纠错码(ECC)。

还有一个新的从Nantero NVM技术,称为NRAM。这是由碳纳米管(碳纳米管- N在NRAM“纳米”)。可编程的碳纳米管形成一个宽松,无向质量,使用温度(由电流)或静电学,可以一起把这些碳纳米管紧或进一步分开,因为他们穿过范德瓦耳斯限制,导致他们相互吸引或排斥在另一侧。这使得程序状态稳定。挤在一起的状态,纳米管相互接触,行为。在分离状态,他们不喜欢。因此,再次,阻力成为参数读取。

图4:NRAM细胞。来源:Nantero

因为这些都是新技术,他们没有了挑战,flash已经多层细胞。每个单元格仍是一点,无论是打开或关闭。多层细胞还允许中间值,例如,一个四层细胞可以存储两个比特的数据。最近,这已经采取一个极端的flash和RRAM(试着与他人),使用它们作为模拟内存,几乎连续的细胞中各种编程。这是有利于机器学习应用程序使用所谓的“内存计算。”

因为多层次和模拟使用需要更大的编程和阅读精度,使用write-verify越来越多的记忆,“Brozek说。这种方法试图写入内存,那么背,读,重复,直到所需的水平。这需要更长的时间,但给了一个更精确的结果。

这些记忆可以作为专用散装芯片或嵌入到soc单片机。作为主要的筹码,这个过程可以为最高产量和可靠性。当嵌入,然而,他们必须遵循尽可能底层CMOS技术,使他们更昂贵的每比特的基础上,但仍要求可靠性高。英特尔的Optane是大容量存储器;目前尚不清楚这项技术适合于嵌入。Brozek和方便的看到MRAM竞争和flash作为嵌入式内存。RRAM可用从Adesto大部分技术,但它也广泛的兴趣作为嵌入式技术。

NVM可靠性方面的考虑
NVMs,所有这些技术与闪存分享可靠性考虑,除了注意事项,适用于所有的集成电路。特别重要的是数据保留和耐力。这些都不是一个问题对挥发性记忆如DRAM和SRAM。具有讽刺意味的是,他们不是DRAM的问题,因为它的数据保留时间很短,所以刷新电路是一个基本的DRAM的要求,使数据丢失问题,只要权力是维护。一般来说,刷新被认为是不受欢迎的(尽管可能)在这些新的NVM技术。

数据保留是一个规范,它表明一个内存会维持多久其内容在所有情况下,存储或操作。flash技术,薄介质允许条件下电子的传递到浮栅的阅读和写作。理论上,这些电子被困在浮栅,没有明显的方式泄露出来。但随机电子可以慢慢流失通过热能量超过能量势垒或通过隧道介质。给予足够的时间,足够的电子可以漏出,使细胞退化状态。

每个NVM技术——新的也不例外——逐渐泄漏数据的一种手段。所以数据保留成为保证,一段时间,记忆将保持其内容。之后,它仍然可能会在更长时间内保持其内容,但是没有保证。十年一直是一个典型的规范为flash,尽管汽车应用程序正在推动需求,考虑到汽车的长寿命。

数据保留与其他基本NVM规范、耐力。每次一个NVM编程,可能发生一些轻微的损伤。在flash中,会由于电子成为嵌入到介质分离的浮栅电路的其余部分。缺陷也可能发生,可以加速电子的浮栅的泄漏。耐力是一个内存的次数可以编程前的数据保留低于规范。

在理论上,可以计划一个给定的设备超出其耐力,和很有可能继续运营,但较短数据保留。然而,一些设备可能数编程周期和块编程超越极限。多年来,10000次的酒吧闪存将达到。如今,越来越多的记忆是指定100000个周期。

这些特点需要移植以外的内存为了最大化给定芯片的生活。例如,如果数据是集中在低内存的一半,那么这些细胞可能磨损,上半部分的内存保持基本不变。这是一种低效使用的细胞。耗损均衡技术实施的记忆之外,移动的位置数据来确保整个内存使用、扩展芯片的寿命。

损耗均衡不是灵丹妙药,但是,Brozek指出。“你可以使用平均读写海量存储,但是你不能做嵌入式单片机NVM,”因为它主要是用来存储代码,必须位于一个已知的固定位置。

所有这些因素将适用于任何新的NVM技术。在大多数情况下,他们必须满足flash操作的水平,如果可能的话,超过他们。如果受到许多数量级的耐力,然后穿水准可能不再是必要的,尽管这个决定是该公司的手中,根据控制系统设计师。

当看着可靠性,“所有这些[技术]将理想,“Brozek说。“你描述并添加电路级工具来管理它们。一旦移植,然后应该有一个黑盒”与中和的固有问题。

温度等级
任何磨损机制将变得更加明显的温度越高。数据保留和耐力规格假设持续高温,意味着一种设备,认为偶尔高温时期的喘息之机可能会持续更长时间。但没有实际的方法指定不同的温度曲线,所以数据表指定最坏的情况下。

但“高温”是什么意思?多年来,有两个等级的集成电路——商业,范围从0到70°C,和军事,-55 - 125°C。这些代表两种截然不同的业务,因为一般材料有着极其严格的配套要求。所以一些公司或部门选择集中在一个或其他的企业。在某种程度上,一个工业品位也物化,射程-40 - 85°C。而工业级产品不像一般很难生产,他们仍然倾向于涉及应用程序在设备不同于设备使用商用ICs。

这已经改变了汽车市场的出现,这可能需要以提供商业级的价格军事级别的鲁棒性。实际上,然而,并非所有的组件在一个车辆必须在发动机附近的温度有经验操作。由于这个原因,现在有五个温度等级在汽车中使用。这是一个根本性的改变,所有这些成绩可能会发现在同一块设备。

图5:汽车温度等级。温度环境。对数字的来源:原子能委员会Q100标准

“温度,一般来说,一个重要因素,影响电子设备由于热能的电子的变化,“孟朱说,在解放军的产品营销经理。”MRAM应用,如单片机或缓存内存,操作温度范围-40°C到125°C的通常是必需的。较高的环境温度导致的问题数据保留由于各向异性磁转换上面的障碍,影响设备的可读性由于减少隧道磁阻(咯)。所有热过程用于MRAM制造也需要控制。一种退火工艺步骤是用来改善的结晶度分别以/ CoFeB层,因此,加强各向异性和咯。另一方面,过多的热预算会导致原子之间inter-diffusion MRAM层和降低设备性能。例如,Ta扩散的采用障碍可能降低结晶度分别,而B扩散CoFeB可能改变垂直各向异性和影响咯。”

有点惊人的温度考虑焊料回流。主任马丁·梅森高级嵌入式内存GlobalFoundries,描述它,每个芯片应该能够承受五个不同焊料回流事件。前两个发生在板上芯片最初—一个用于表面安装,另一个用于通孔在同一板组件。如果需要返工,然后会有一个删除任何有缺陷的单位,然后两个替换这些单位。

每一个焊接周期包括提高温度的范围220到270°C 10到15分钟,据Shane Hollmer,创始人和工程副总裁Adesto记忆。“很多这些技术的斗争与热稳定性和数据保留。“这是一个问题在设备编程芯片测试之前被组装到一个董事会。

进入第2部分:可靠性挑战已经解决了哪些依然存在。

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