内存结构调整

众所周知，当今的存储芯片和存储设备正在努力满足日益增长的数据处理需求。为了解决这个问题，芯片制造商一直在研究几种下一代内存类型。但大多数技术都被推迟或未能实现其承诺。

但经过无数次的延迟，新一代非易失性存储器终于问世了。一种技术,3 d与非该公司正在上市，势头正劲。还有三个人——磁阻的内存，ReRAM甚至碳纳米管ram都突然出现了。

这些下一代技术可能会改变内存领域的格局。随着时间的推移，新的内存类型可能会增加或取代传统的内存，如DRAM、NAND和SRAM。新的内存类型还将影响现有的内存/存储层次结构。今天的等级制度相当简单明了。静态存储器集成到处理器中进行缓存。DRAM被用作主存。磁盘驱动器和基于nand的固态存储驱动器(ssd)用于存储。

但这里有一个问题。在等级制度上有差距。“我们看到数据在持续激增。有必要获得这些数据，将其转化为解决非常现实的问题的信息。该公司高级副总裁兼总经理Rob Crooke表示:“这是关于快速、大量、及时地访问数据。英特尔的非易失性内存解决方案集团，在最近的一次活动。

“数据爆炸表明，基于NAND技术的固态硬盘来自存储方面是不够的，”克鲁克说。“我们已经研究了很长一段时间，研究之后会发生什么，以及除了基于nand的技术之外会发生什么。”

接下来是一项名为3D XPoint的技术，至少根据英特尔及其开发合作伙伴美光科技(Micron)的说法。3D XPoint被认为是一种电阻性随机存取存储器(ReRAM)，可以增强或取代今天的NAND和DRAM。

不过，3D XPoint和其他下一代非易失性存储器类型仍存在一些重大问题。这些技术能做什么?他们是如何融入等级制度的呢?

没有简单的答案。为了帮助原始设备制造商领先于曲线，半导体工程公司提供了一些新的内存类型和未来的挑战的描述。

3 d与非
今天的平面NAND是闪存和ssd的主流存储技术。最新的NAND芯片是1xnm节点。但在1xnm技术上，平面NAND的动力已经耗尽，这推动了对3D NAND的需求。

3D NAND就像一座摩天大楼，其中水平层被堆叠起来，然后用微小的垂直通道连接起来。到目前为止，3D NAND的最大市场是ssd。

三星，3D NAND领域的领导者，正在发布其第三代3D NAND设备。该设备采用48层3位多级单元(MLC)技术，芯片容量为256千兆比特。

三星之前的产品是32层芯片。“从性能的角度来看，(48层设备)在顺序读写方面大约是2倍到2.2倍，”ibm公司副总裁吉姆·埃利奥特(Jim Elliott)说三星半导体．“它的耗电量基本上不到前一代的一半。”

与此同时，其他供应商，美光/英特尔，SanDisk/东芝和SK海力士，正在试用他们最初的3D NAND设备。预计这些供应商中的大多数将在今年晚些时候投入生产。"内存投资主要集中在3D NAND容量增加上，预计今年下半年市场领先厂商将增加并扩大规模，"英特尔总裁兼首席执行官Rick Wallace表示KLA-Tencor在最近的一次电话会议上。

不过，3D NAND要成为主流技术还需要比预期更长的时间。“确实在取得进展，但它并没有更快地走向主流。三星通过比其他制造商更早地生产零部件，迫使自己沿着学习曲线向下走。其他产品目前正在取样，但距离量产还有很长的路要走，”Objective Analysis分析师吉姆•汉迪(Jim Handy)表示。

“当制造商说他们将在2016年批量生产时，我猜会推迟到2017年。现在他们开始呼吁2017年的数量，我预计2018年，”Handy说。“我之所以说2018年，是因为我预计具有成本效益的生产将比任何人预期的都要困难得多。”

为了扩展2D NAND，芯片制造商需要领先的光刻技术。相比之下，3D NAND依赖于复杂的沉积和蚀刻步骤。

3D NAND流从衬底开始。然后，利用交替堆叠沉积技术将薄膜一层一层地堆叠在衬底上。这个过程很像做蛋糕。公司全球产品执行副总裁里克·戈特朔说:“关键的挑战是确保每对层都与上面的一层完全相同。林的研究．

然后，从器件顶部到衬底蚀刻出高纵横比沟槽。3D NAND的纵横比为40:1至60:1，而平面NAND为12:1或15:1。NAND全球产品管理高级总监Amulya Athayde表示:“在NAND方面，由于3D NAND的纵横比正在飙升，NAND的市场出现了巨大的变化。应用材料．

沟槽形成后，设备需要接触点。该装置采用金属沉积步骤回填类似钨的导体。“这是一个棘手的取证，因为你是在进行非视线取证，”Lam Research的高级副总裁兼首席技术官戴夫·海姆克(Dave Hemker)说。

不过，至少在短期内，3D NAND的前景还是一片光明。但长期来看，人们担心3D NAND可能会碰壁并停止缩放。“3D NAND将在128层后达到物理缩放极限，”Web-Feet Research总裁艾伦·尼贝尔(Alan Niebel)说。一些人认为它可以无限扩展。这是不切实际和一厢情愿的想法。”

ReRAM
多年来，ReRAM一直被吹捧为闪存和其他存储类型的替代品。ReRAM是非易失性的，基于电阻元件材料在两个稳定电阻状态之间的电子切换。这项技术之所以具有吸引力，是因为它提供了比现在的闪存更快速的写入时间和更长的续航时间。

ReRAM可分为三类:嵌入式、2D和3D。在3D类别中，有两种类型的reram -交叉点和垂直。

今天，松下和Adesto正在为嵌入式应用程序提供reram。基于2D和3d的reram有一天可能会取代闪存，但这些技术很难制造，而且进入市场较晚。

但根据英特尔和美光的声明，类似reram的3D XPoint迟早会出现。基于交叉点架构，3D XPoint的速度高达1000倍，续航能力高达NAND的1000倍，密度是传统内存的10倍。2016年，英特尔将在企业SSD中集成3D XPoint设备，并为服务器集成DDR4 DIMM。

“最初，3D XPoint具有类似ram的特性，价格却低于DRAM，”Forward Insights分析师Greg Wong表示。在要求低延迟和高IOPs的企业SSD应用中，它有可能与3D NAND竞争。”

其他人也同意，但3D XPoint是否真的是一个纯粹的ReRAM仍有一些疑问。“XPoint可能不是ReRAM，而是一种新的存储类存储器，具有相变存储器、ReRAM和其他存储器的特性，”Web-Feet的Niebel说。

“首先，XPoint将用于ssd，然后是内存。之后，XPoint将进入移动领域，为UFS或eMMC提供服务。”“XPoint将在高性能领域与3D NAND展开竞争，NAND正在尝试执行缓存和快速访问/高吞吐量任务。未来几年，XPoint将在这些性能领域蚕食DRAM和NAND。”

与3D NAND不同，ReRAM将需要先进的光刻技术，这可能会变得昂贵。ReRAM的其他挑战包括材料复杂性、泄漏、寄生电容和线路电阻。

MRAM
MRAM利用电子自旋的磁性来提供非挥发性。它提供了SRAM的速度和闪存的非波动性，具有无限的续航能力。

下一件大事是第二代MRAM技术，称为自旋转移扭矩MRAM (STT-MRAM)。STT-MRAM是一种可以使用自旋极化电流修改磁隧道结(MTJ)中磁层方向的效应。

MRAM被吹捧为DRAM和闪存的替代品。到目前为止，MRAM还没有实现这些承诺，但它正在打入嵌入式市场。

“很多人问我们MRAM如何与其他技术竞争，”MRAM供应商Everspin的总裁兼首席执行官菲利普·洛普雷斯蒂(Phillip LoPresti)说。“我们不与NAND竞争。在很多情况下，我们让NAND变得更好。(ReRAM)不能完成我们的功能。我们没有尝试去做它们的功能。他们可以互相合作。”

但是STT-MRAM会取代DRAM吗?“DRAM存在一个根本性问题。你必须刷新它。人们需要坚持。DRAM不是持久的。DRAM将达到极限，只会开始服务于持久性无关紧要的领域。这种情况可能会永远持续下去。”“除了可扩展的限制之外，DRAM的使用将会减少。它将被不同领域的其他技术所取代。”

如今，Everspin、美光、三星、SK海力士、东芝等公司正在开发STT-MRAM。但到目前为止，Everspin是唯一的供应商运送MRAM。

Everspin一直在出货第一代MRAM技术，称为现场开关。现场开关mram的目标是电池支持的SRAM替换市场。

2012年，Everspin开始对世界上第一台STT-MRAM进行采样，这是一种64兆的设备，具有DDR-3接口。Everspin称其技术为ST-MRAM，已经进军企业级SSD市场，特别是在系统的写入缓冲区部分。

总的来说，STT-MRAM面临着一些挑战，即成本和可扩展性。例如，Everspin在亚利桑那州有一条200mm的生产线，在那里用180nm和130nm工艺生产MRAM。

为了帮助解决这些挑战，Everspin去年宣布了一项代工协议GlobalFoundries．根据该计划，GlobalFoundries将使用300mm晶圆制造Everspin基于40nm和28nm工艺的st - mram。

利用这项技术，Everspin将开发密度更高、成本更低的st - mram，例如256兆和1千兆部件。GlobalFoundries产品管理高级副总裁Gregg Bartlett表示:“我们与Everspin的合作将有助于推动ST-MRAM的采用，并为快速增长的MRAM市场提供支持。”

还有其他有前景的技术即将出现。例如，Nantero正在大力发展其所谓的NRAM。基于碳纳米管，NRAM与DRAM一样快，而且像闪存一样不易挥发。

然而，并非所有技术都将进入内存/存储层次结构。例如，FeRAM仍然停留在嵌入式市场。另一项技术，相变存储器(PCM)，似乎正在淡出人们的视线。

MRAM, NRAM和ReRAM更有前途。但如果这些技术不能以合理的价格进入市场，它们可能会遭遇与PCM相同的命运。