未来的新型嵌入式存储器

嵌入式内存市场开始升温，新一波的微控制器(mcu)和相关芯片可能需要新的、更强大的非易失性内存类型。

在嵌入式内存领域，业界正朝着几个不同的方向发展。一方面，传统的解决方案正在进步。另一方面，一些供应商正在为嵌入式市场定位下一代内存类型，如FRAM、MRAM、ReRAM甚至碳纳米管ram。

这种新型内存已经研发多年，有些甚至已经开始出货。芯片客户现在正更加认真地看待这些技术，因为目前的解决方案可能无法解决所有问题。

举个简单的例子，今天的mcu在同一个芯片上集成了几个组件，比如CPU、SRAM、嵌入式内存和外设。CPU执行指令。SRAM集成在芯片上，用于存储数据或常用指令。然后，嵌入式存储器，如EEPROM和NOR闪存，用于代码存储和其他功能。

图1:标准嵌入式NOR闪存技术。来源:硅存储技术。

静态存储器和嵌入式内存工作，但这些技术有一些局限性。SRAM速度很快，但它在芯片上占用太多空间。嵌入式内存可靠但速度较慢。

芯片客户将继续在许多应用中使用传统技术，但未来的系统可能需要一些不同的东西，即新的内存类型或更先进节点上的现有内存类型。

“我们在嵌入式内存领域看到的是一种重视速度和效率的趋势，”英特尔嵌入式内存副总裁戴夫·埃格斯顿(Dave Eggleston)说GlobalFoundries．“多样化也是需要的。所谓的多功能性，我指的是超出通常的嵌入式非易失性内存存储工作。我们还想开始以一种非易失性的方式存储数据，甚至可能是状态，这有助于整个系统。”

但芯片客户是应该继续使用传统的解决方案，还是转向用于嵌入式应用程序的下一代内存类型?这个问题没有简单的答案。传统的解是已知的量互补金属氧化物半导体流程。不过，尽管这些新内存拥有令人印象深刻的配置，甚至可以取代传统的嵌入式内存和/或SRAM，但它们也存在一些问题。这些技术依赖于相对陌生的材料和开关机制。

“这是许多新技术难以起步的主要原因，”客观分析公司(Objective Analysis)分析师吉姆·汉迪(Jim Handy)说。“新材料增加了晶圆成本，通常会影响成品率。”

当然，这是一个令人困惑的局面。为了帮助业界掌握市场，半导体工程研究了新的嵌入式存储器类型的现状和未来的挑战。

什么是嵌入式内存?
下一代存储器类型的目标是各种市场，如嵌入式和高端系统。对于高端系统，会出现数据爆炸，导致系统中的瓶颈或延迟差距不断扩大。

为了解决这一问题，业界一直在寻找一种适合两者之间的新内存类型动态随机存取记忆体而且与非在传统的内存/存储层次结构中。

为此，候选方案包括MRAM、相变和ReRAM。一些新的内存类型已经开始在内存/存储层次结构的各个部分中发布，而其他一些内存类型还在研发阶段。少数技术永远无法实现它——它们太昂贵且难以制造。

所以，现在说这些技术最终会在系统中落地还为时过早。“你会看到很多很多类型的记忆。你至少能看到10个品种，也许更多。人们仍在思考如何解决某些问题，”公司副总裁兼蚀刻业务部门总经理Raman Achutharaman说应用材料．

嵌入式市场也有类似的情况，因为业界仍在梳理这些新的内存技术。基本上，嵌入式芯片市场包括asic、mcu和片上系统(SoC)设计。这些设备被嵌入到许多应用中，如汽车、消费、工业、物联网医疗和其他方面。

一般来说，mcu包含基于sram的高速缓存。“在芯片上移动数据非常缓慢，”Objective Analysis的汉迪说。“SRAM用于随时变化的数据。SRAM的存在只是为了节省处理器与DRAM通信所需的时间。”

此外，mcu合并eepm或也不闪用于嵌入式内存。“对于EEPROM，每个比特是两个晶体管。而且每个字节都可以被擦除或重新编程，”汉迪说。“在每个块(带NOR闪存)上，我们有一个巨大的晶体管，对块上的所有位进行擦除。与每比特两个晶体管相比，一个巨大的晶体管仍然节省了大量的芯片空间。”

另一种闪存类型NAND不用于微处理器的嵌入式内存。它被用于闪存、ssd和其他产品的存储。

通常，NOR主导嵌入式内存领域。今天的嵌入式NOR具有40nm的特征尺寸，28nm正在开发中。在实验室中，瑞萨已经制造了16nm/14nm的嵌入式NOR，但这在几年内都不会出现。

英特尔全球营销和业务发展总监Vipin Tiwari表示:“我们期待一些需要芯片上射频集成的高端物联网设备，以利用28nm的嵌入式闪存可用性。硅存储技术的嵌入式内存子公司微芯片．“我们相信28nm将成为汽车和高端物联网应用的持久节点。”

基本上，NOR架构有几种类型，包括浮栅和电荷阱。在浮栅中，电荷被储存在栅中。“浮栅是由导电多晶硅制成的，”Objective Analysis的Handy说。“对于电荷阱，浮栅是一个绝缘层。因此，这使得一些处理更容易一些。它还允许您使浮动门更小。它能容纳更多电子。”

浮栅和电荷阱在市场上都有广泛的应用。GlobalFoundries的Eggleston说:“它仍然会被使用很长一段时间。”“它在这方面做得非常好。它可以在恶劣的环境中存储数据。”

然而，NOR也有一些局限性。它需要在写操作之前进行字节或扇区擦除操作。“与其他存储技术相比，写入速度非常慢。而且，续航时间也有一定的限制。”

嵌入式闪存还可能需要多达12个额外的掩模步骤，从而影响成本和复杂性。此外，NOR在扩展到40nm及以上时也遇到了问题。“从40nm开始，NOR闪存的特性和性能正在下降，”ReRAM芯片初创公司Crossbar的营销和业务发展副总裁Sylvain Dubois说。

展望未来，客户可以继续使用NOR。他们也可以把NOR移到MCU之外。但是这种解决方案会占用太多的空间，而且安全性也是一个问题。

另一个想法是转向一种新的内存类型，用于汽车、工业和物联网领域。“客户对其他一些更独特的解决方案感兴趣，”华硕商业管理副总裁Walter Ng说联华电子．“新的内存类型每年都在取得渐进的进展。其中一些解决方案甚至在小众领域发挥了作用。”

那么最好的解决方案是什么呢?“这个问题还没有解决，”吴恩达说。现在说哪种技术将长期占上风还为时过早。他说，他们需要更多的时间来发展。

不过，随着时间的推移，该行业可能会使用几种下一代内存类型。“我预计这些高级存储器将首先应用于识别或利用其独特优势之一的应用程序中，”David Fried说Coventor．

弗拉姆号再次出现……
不过可以肯定的是，铁电RAM (FRAM)的重新出现是一个很大的惊喜。多年来，fram已经在几个嵌入式应用程序中发布，尽管该技术已经退居MRAM、相变和ReRAM之后。如今，赛普拉斯、富士通和TI都在推出基于框架的芯片。

使用铁电电容器存储数据，FRAM是一种具有无限续航能力的非易失性存储器。FRAM比EEPROM和flash快。FRAM在内存单元中执行重写功能，而不需要擦除操作。

基本上，FRAM电池由基于锆钛酸铅(PZT)的晶体结构组成。简单地说，晶体的外层是铅。通过施加电场，锆酸盐/钛酸盐离子移动到晶体内部。然后，电容器绘制出离子的极化。最后，数据以“1”或“0”的形式存储。

FRAM有一些优点和缺点。“铁电可以用非常低的功率写入，比NOR闪存或EEPROM写入周期所需的能量少三个数量级，”Objective Analysis的Handy说。“但是铅离子的流动性很强。它们在硅内部移动。这会污染你的过程。”

fram在扩展方面也受到限制。为了解决这些问题和其他问题，NaMLab和一家衍生公司，铁电存储器(FMC)，正在开拓下一代FRAM的开发，被称为铁电场效应晶体管(FeFET)。

FeFET利用薄掺杂氧化铪层中的铁电特性。FMC首席执行官Stefan Müller表示:“一般来说，你可以用铁电材料取代传统的逻辑门电介质，这种电介质可以记住它所暴露的电场。”“在fefet中，一个永久偶极子在栅极介电本身内形成，将铁电晶体管的阈值电压分裂为两个稳定状态。因此，二进制状态可以存储在fefet中，类似于在闪存单元中存储的方式。”

FMC、NaMLab和GlobalFoundries正在为嵌入式内存市场开发fefet。在实验室中，GlobalFoundries将一种单晶体管FeFET技术设计到28nm CMOS逻辑工艺中。GlobalFoundries技术和集成高级部门经理Martin Trentzsch表示，FeFET也是GlobalFoundries 22nm FD-SOI平台内嵌入式内存解决方案的理想选择。

图2:铁电体在暗场模式下的透射电镜图像高频振荡器2基电容结构。单一高频振荡器2可以看到具有相似晶体取向的晶粒。来源:NaMLab。

仅使用两个额外的掩模步骤，GlobalFoundries设计了一个64 kbit FeFET测试芯片。“这是一种低功耗、低成本的代码存储解决方案，”Trentzsch说。“理论上，你可以把这些晶体管植入标准逻辑设计规则的规则逻辑中。”

MRAM和ReRAM
除了FeFET, GlobalFoundries还在开发另一种嵌入式内存技术——mram。英特尔、三星、台积电和许多其他公司也在开发MRAM。

可作为独立设备或嵌入式内存解决方案提供，MRAM提供SRAM的速度和闪存的非波动性，具有无限的续航能力。该行业目前正在开发第二代MRAM技术，称为自旋转移扭矩MRAM (STT-MRAM或ST-MRAM)。

在STT-MRAM中，存储元件由一个晶体管、一个磁隧道结(MTJ)存储单元组成。MRAM供应商Everspin表示:“当对MTJ施加偏压时，被磁层自旋极化的电子通过称为隧穿的过程穿过介电垒。”

Everspin正在推出一款采用垂直磁隧道结(pMTJ)技术的独立ST-MRAM。这是256兆DDR3产品。1千兆的ST-MRAM正在研制中，这是一个突破。“通过垂直MTJ, ST-MRAM可以进行规模化，”应用材料硅系统集团存储器和材料董事总经理Er-Xuan Ping在最近的一次采访中表示。

Everspin也在研究该技术的嵌入式版本。Everspin的嵌入式MRAM技术旨在取代EEPROM、闪存和SRAM，仅使用几个掩模步骤就集成在标准CMOS逻辑工艺的最后两个金属层中。

然而，一般来说，stt - mram的制造具有挑战性。“开发MRAM产品仍然存在许多障碍，例如MTJ短失效，相对狭窄的传感裕度和MTJ图形化困难，”Y. J. Song，该公司的首席工程师说三星．

基本上，MTJ由一层薄薄的氧化镁阻挡层(MgO)组成，中间夹着两层基于钴-铁-硼(CoFeB)化合物的铁磁性层。势垒层仅≤1nm。

“这种结构涉及非挥发性的新材料，”杨攀说，杨攀，全球产品集团的首席技术官林的研究．“对于MRAM来说，挑战在于如何定义这种结构。”

在晶圆流程中，通过沉积形成CoFeB/MgO/CoFeB堆叠。然后，蚀刻堆栈，形成MTJ单元。如果这些步骤不精确，就会出现问题。卖空可能会发生，从而影响收益率。“如果使用传统的蚀刻技术，这些材料会发生反应性溅射，然后重新沉积在结构的侧壁上。再沉积会使设备短路。这是一个杀手，”Lam全球产品执行副总裁Rick Gottscho补充道。

为了解决这个问题，三星设计了几种新的制造技术。例如，三星设计了一种离子束蚀刻(IBE)技术，而不是传统的蚀刻工艺，使其能够将短故障降低到1ppm以下。

三星电子利用IBE等技术，在28nm工艺中制作了嵌入式8mbit STT-MRAM。三星电子表示:“(该设备证明了)将eMRAM商业化用于物联网应用的可行性。”

GlobalFoundries计划在其22nm FD-SOI平台中提供嵌入式MRAM。在应用程序的一个例子中，MCU可以合并嵌入式MRAM和SRAM。MRAM将取代嵌入式闪存来存储代码。

嵌入式MRAM还可以承担一些基于sram的缓存功能，从而节省空间和成本。GlobalFoundries的Eggleston说:“你不会放弃SRAM，但你可能会减少SRAM的数量。”“SRAM和eMRAM协同工作。”

另一种技术,ReRAM它是不可挥发的，基于电阻元件材料在两个稳定电阻状态之间的电子切换。ReRAM提供了更快的写入时间，比现在的闪存更持久。

许多人将ReRAM定位为NAND的替代品，不过ReRAM也适用于嵌入式应用程序。例如，中国的中芯国际制造有限公司(中芯国际)正在开发基于Crossbar技术的40nm嵌入式ReRAM。这将使嵌入式ReRAM用于mcu和soc。

ReRAM是需要低功耗代码执行和传感器数据记录的应用程序的理想选择。“传统的闪存技术需要高压编程和慢块擦除命令，然后才能再次对内存进行编程，”Crossbar的Dubois说。“ReRAM不需要高压编程，可以在没有任何擦除命令的情况下重写。这些任务在低功耗下执行得更快。”

然而，开发具有良好循环和在高温下稳定保留的reram具有挑战性。当然，成本仍然是ReRAM和MRAM的一个问题。

纳米管公羊
多年来，业界一直在讨论用于逻辑的碳纳米管fet。碳纳米管是圆柱形结构，坚固且导电。

Nantero公司正在开发被称为nram的碳纳米管ram。“这是一种不同的应用，”Nantero董事长兼首席执行官格雷格•施默格尔(Greg Schmergel)说。“它的速度和DRAM一样快，而且是非易失性的。我们也有无限的耐力。”

nram的目标是独立和嵌入式。“它是基于碳纳米管，它们要么彼此接触，要么彼此不接触，形成高阻态和低阻态。所以你有非常明显的0和1。这是因为‘开’和‘关’状态之间有很大的区别。”

富士通正在为Nantero代工nram。2018年，富士通预计还将推出首款基于55纳米技术的NRAM产品，40纳米技术正在研发中。

虽然这种新型存储器的供应商正在取得进展，但他们仍面临着一场艰苦的战斗。成本、集成和可制造性只是其中一些问题。

多年来，供应商提出了大胆的要求，但许多都未能交付。Schmergel说:“质疑一直存在。“但对新选择的开放程度已显著提高。该行业已经真正开始思考(这些新技术)能为他们的产品带来什么。”

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