下一代内存升级

随着厂商推出大量新技术，下一代内存市场正在升温，但要使这些产品成为主流还面临一些挑战。

多年来，业界一直致力于各种存储技术，包括碳纳米管RAM、FRAM、MRAM、相变存储器和ReRAM。有些是在运输，有些是在研发。每种内存类型都是不同的，并且针对特定的应用程序，但它们都承诺在当今系统的内存/存储层次结构中取代一个或多个传统内存。

在这个层次结构的第一层，静态存储器集成到处理器中以实现快速数据访问。动态随机存取记忆体，层次结构中的下一层，用于主存。磁盘驱动器和与非使用基于ssd (solid-state storage drive)的硬盘进行存储。

图1:内存层次- dram /SRAM和闪存具有相反的特征，留下了一个空白，由存储级内存填补。来源:Lam Research

今天的内存和存储类型可以工作，但它们正在努力跟上系统中数据和带宽需求的爆炸。例如，DRAM速度快但耗电大，而NAND和硬盘驱动器都便宜但速度慢。

这就是下一代内存的用武之地。新的存储器类型结合了SRAM的速度和闪存的非易失性，具有无限的续航能力。这些技术拥有一些令人印象深刻的规格，但它们要么被推迟，要么达不到预期——或者两者兼而有之。

事实上，将许多新的存储器类型引入大规模生产一直是一场斗争。这些存储器依赖于奇异的材料和开关机制，这使得它们难以在现场制造和/或操作。它们也很贵。

总的来说，新的内存仍然是小众产品，但在这个领域有一些明显的进步。例如，英特尔正在大力发展名为3D XPoint的下一代内存。然后，GlobalFoundries，三星，台积电和联华电子正在为嵌入式市场开发新的内存类型。“真正重要的是，逻辑晶圆厂正在为嵌入式内存开发MRAM和电阻RAM。这可能会降低成本，”客观分析公司(Objective Analysis)分析师吉姆·汉迪(Jim Handy)说。“对于独立内存市场来说，成本很高。这使得它只吸引那些愿意花很多钱的人，因为他们无法在其他地方得到他们想要的东西。”

因此，传统存储器仍然是系统中的主流产品，但新的存储器类型提供了一些选择。为了帮助读者走在前面，半导体工程已经看了下一代存储器的现状。

3D XPoint的兴起
虽然花了很长时间，但几款下一代存储器正在加速开发。每一种新的记忆都有一些有趣的属性，声称它们比传统记忆更有效果。

不过，至少目前来看，这种新型存储器还不太可能取代DRAM、闪存或SRAM。

这一切都归结于性能、密度和成本。例如，给定内存的单元格大小等于特征(F)大小乘以四个平方。最小的单元格大小是4F²．最新的3 d与非器件包含每个单元4位(QLC)，理论上转换为1F的单元大小²．

“如果你想取代NAND，你必须比1F更便宜²．据我所知，我们这辈子都不会看到这种情况，”碳纳米管ram开发商Nantero的董事会成员、资深记忆专家埃德·多尔(Ed Doller)说。

为了取代DRAM，一种新的内存类型必须更便宜，并且围绕它有完整的基础设施，例如DRAM兼容的接口和控制器。

那么，如果新的存储类型不会取代传统技术，那么它们适合在哪里呢?“云计算和最新移动产品等应用正在推动对一种新的内存类别的需求，这种内存类别将DRAM的速度与NAND的更高比特密度和更低的成本相结合，”NAND的高级技术总监Alex Yoon表示林的研究在一篇博客中。“为了满足这些标准，我们正在探索几种新技术。一些公司的目标是嵌入式应用，如芯片上系统(soc)，而另一些公司则专注于存储级内存空间。”

目前，新的内存类型已经在内存/存储层次结构的某个地方开辟出了今天的内存无法满足的小众空间。有些公司甚至从DRAM和闪存市场上抢走了一小部分份额。但目前还不清楚这种新的存储类型是否会成为主流技术。

目前还没有一种新的存储技术可以满足所有的需求，所以随着时间的推移，客户可能会使用一种或多种存储技术。“他们都有自己的地方，”ReRAM供应商Crossbar的营销和业务发展副总裁西尔万·杜布瓦(Sylvain Dubois)说。“在某些情况下，它们是半竞争性的。有一些重叠。但很明显，我们都有不同的定位。”

图2:内存层次。来源:Imec

不过，有一项技术正在崛起。市场的重大变化是最近兴起的3D XPoint，这是英特尔和美光(Micron)开发的新一代技术。

当3D XPoint在2015年正式推出时，该技术被吹捧为一种存储级内存，适合DRAM和NAND之间的某个地方。它的速度应该是NAND的1000倍，续航能力也应该是NAND的1000倍。

但实际上，3D XPoint一直被推迟，未能达到这些规格。咨询公司MKW Ventures的负责人马克·韦伯(Mark Webb)说，“我们知道，在现实中，这在很大程度上被过度炒作了。”“现实是不同的，但它仍然非常令人惊叹。3D XPoint的收入将超过所有其他新型非易失性存储器的收入总和。”

事实上，经过几次推迟，英特尔正在大力发展基于3D XPoint的ssd和其他产品。最终，英特尔将在服务器内存中使用该技术。“(使用3D XPoint)，英特尔拥有速度最快、续航能力最强的ssd，”韦伯说。“内存延迟了。”

根据MKW的数据，3D XPoint的销售额预计将从不久前的零增长到2018年的7.5亿美元。据MKW称，到2020年，3D XPoint的收入预计将达到15亿美元。

相比之下，根据Coughlin Associates和Objective Analysis的一份报告，MRAM在2017年的业务规模为3600万美元。其他类型的内存几乎没有出现在雷达上。

与DRAM和NAND相比，这种新存储器显得苍白无力。IC Insights预计，2018年DRAM市场将达到1016亿美元，而NAND市场将达到626亿美元。

同时，3D XPoint是基于一种叫做相变存储器(PCM)。PCM以非晶态和晶体相存储信息。它可以与外部电压可逆切换。

3D XPoint器件采用两层堆叠架构，采用20nm几何结构，密度为128千兆比特。根据MKW的数据，读取延迟约为125ns，续航周期为200K。

图3:3D XPoint架构维基百科

技术速度很快，但还不到NAND的1000倍。“它的成本也比NAND高得多，”韦伯说。“它不是DRAM的替代品。它是DRAM的补充。”

3D XPoint的下一步是什么?最大的机会在于内存领域。当内存最终从英特尔推出时，它们将集成3D XPoint和DRAM。“英特尔可以优化处理器和架构，以利用3D XPoint的性能特点，”他说。

不过，这项技术的未来仍然不确定。英特尔和美光在3D NAND和3D XPoint的开发上分道扬镳。正如此前宣布的那样，两家公司将完成这两个类别的现有产品，然后独立开发这些技术。

目前还不清楚美光是否会推出3D XPoint设备。到目前为止，美光尚未推出3D XPoint产品，因为该技术似乎要与其DRAM和NAND产品竞争。

显然，英特尔在3D XPoint领域拥有足够的资源。但问题是英特尔是否能在这项技术上收回巨额研发投资。

MRAM vs ReRAM
与此同时，业界也在开发其他新的内存类型，如MRAM和ReRAM。与3D XPoint一样，MRAM和ReRAM也可以作为独立设备制造和销售。

3D XPoint不作为嵌入式内存出售。相比之下，MRAM和ReRAM也可以服务于嵌入式内存市场。

为MRAM在美国，该行业正在开发新一代技术自旋传递扭矩MRAM(STT-MRAM)。STT-MRAM利用电子自旋的磁性在芯片中提供非挥发性。它结合了SRAM的速度和闪存的非波动性，具有无限的续航能力。

图4:STT-MRAM存储单元。来源:MRAM-Info

在传统存储器中，数据以电荷的形式存储。相比之下，MRAM使用磁隧道结(MTJ)存储单元作为存储元件。

MTJ由一个内存堆栈组成，可以针对给定的应用程序重新配置内存堆栈。但是在调优MTJ堆栈时，需要在持久性、数据保留和写入脉冲宽度方面进行一些权衡。“在MTJ堆栈的设计中，存在固有的权衡。例如，你可以通过放弃数据保留来优化堆栈的持久性，反之亦然，”Everspin工程副总裁Tom Andre说。

“这允许你以不同的方式处理不同的应用程序。例如，如果您正在做嵌入式MRAM，并且您正在尝试构建一个嵌入式NVM对于代码存储来说，提高数据保留并放弃持久性的能力非常适合这个应用程序，”Andre说。“对于我们在Everspin的独立部件，代价是走另一个方向。我们致力于为这些循环写缓冲区类型的解决方案提供更高的持久应用。”

STT-MRAM有其他优点，也有一些缺点。“MRAM在速度上很出色，但在成本或密度上无法与之竞争，”MKW的韦伯说。此外，STT-MRAM比之前想象的更难制造，从而限制了该技术在市场上的出货量。

迄今为止，Everspin是唯一一家提供基于STT-MRAM的独立部件的公司。Everspin正在推出一款256m的40nm芯片，以及一款28nm的1gb芯片。Avalanche、Crocus、三星、东芝、SK海力士、Spin Transfer等公司仍在研究STT-MRAM，但尚未投产。

“我想说，当你比较磁性和半导体工艺时，学习曲线非常大。学习曲线需要时间。这是最大的问题，”马亨德拉·帕卡拉(Mahendra Pakala)说应用材料．“对于嵌入式市场来说，有足够的临界质量。我想在很久以后再说这一点。”

事实上，嵌入式MRAM的势头正在形成。GlobalFoundries、三星、台积电和联华电子正在为28纳米/22纳米工艺的代工客户开发嵌入式MRAM。

在嵌入式市场，业界使用微控制器(mcu)。mcu在同一芯片上集成多个组件，如CPU、SRAM、嵌入式内存和外设。嵌入式存储器，如NOR闪存，用于代码存储。

基于40nm及以上的嵌入式NOR闪存的mcu正在发货。现在，该行业正在大力发展28纳米mcu，并在研发16纳米/14纳米芯片。

问题是很难将嵌入式闪存(有时被称为eFlash)扩展到28nm及以上。“(许多人认为)28nm/22nm将是eFlash的终结，不是因为可扩展性的限制，而是因为经济壁垒，”David Hideo Uriu表示联华电子．“你能将嵌入式闪存扩展到28nm以上吗?简单的答案是肯定的，因为我们将在22nm节点上支持它。但宏观设计本质上与我们的28nm相同。

“在28nm/22nm之外，eFlash在前端加工过程中将需要超过15个掩模加器。额外的掩模加法器造成了经济障碍，挑战了代工行业，是追求替代的非易失性存储器，还是继续投入额外的资源来推动现有eFlash技术的边界。”

因此，嵌入式MRAM正在开发中，以取代28nm及以上的嵌入式NOR闪存。“(嵌入式MRAM)低功耗，快速写入。与慢得多的NOR嵌入式闪存相比，写入速度更快，”英特尔领先CMOS副总裁Mike Mendicino说GlobalFoundries．

在一个例子中，低功耗MCU可能需要快速唤醒和安全功能。Mendicino说:“这就是MRAM可以取代典型的嵌入式闪存和一些SRAM的地方。”

对于缓存，SRAM占据了芯片的很大一部分。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。“MRAM本身可以为这些设备节省电力。但如果你把一个非常好的MRAM放到一个平庸的平台上，那是不会赢的，”他说。

不过，嵌入式MRAM仍然存在一些挑战，即在设计中集成技术的能力。成本是另一个因素。“客户希望新兴的嵌入式非易失性存储器的成本与eFlash一样具有成本效益。这一预期对代工行业提出了另一个挑战，将很难实现，但解决方案应该能够在今天的成本点上保持目前的价格竞争力水平，”UMC的Uriu说。

电阻随机存取存储器与此同时，(ReRAM)也在取得进展，但还没有达到3D XPoint和MRAM的水平。通常有两种类型的ReRAM -氧空位ReRAM和CBRAM。

在这两种情况下，开关介质位于顶部和底部电极之间。当在顶部电极上施加正电压时，两个电极之间形成导电丝。灯丝由离子原子组成。当在底部电极上施加负电压时，导电灯丝断裂。

图5:运行中的ReRAM。来源:Adesto

ReRAM涉及一个复杂的过程。应用材料公司的帕卡拉说:“理解这一点以及如何控制它仍然非常困难，也是一个巨大的挑战。”

MRAM和ReRAM都有类似的读取和数据保留规范。但与ReRAM相比，MRAM具有更高的温度规格，这使得MRAM在汽车等应用领域具有优势。UMC的Uriu表示:“简单地说，MRAM可用于大多数汽车应用，但ReRAM目前只能用于消费类应用。”

图6:MRAM vs. ReRAM

到目前为止，Adesto和松下是仅有的两家提供独立reram的公司。Crossbar也在开发独立设备，不过该公司主要专注于IP授权模式。在嵌入式领域，Crossbar正在与Microsemi合作。Microsemi正在努力将嵌入式ReRAM集成到高级SoC或FPGA中。这是14nm或12nm的，”Crossbar的Dubois说。“这意味着ReRAM可扩展。我们有一家代工公司正在与我们合作，在他们的大规模生产线上获得12纳米的ReRAM。”

其他公司也在开发ReRAM。“现在所有人都在关注ReRAM，”杜布瓦说。“如果您想要读密集型应用程序，ReRAM要好得多。”

对于嵌入式ReRAM，主要应用程序包括人工智能/机器学习、计算、家庭自动化、工业和安全。

其他的竞争者
铁电RAM (FRAM)是另一项值得关注的技术。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。

传统的fram在伸缩性方面受到限制。为了解决这些问题，初创公司铁电存储器(FMC)正在开发下一代FRAM，被称为a铁电场效应晶体管(FeFET)。

仍在研发阶段的FeFET并不是一种新设备。FeFET利用现有的基于氧化铪的高k/金属栅极堆叠逻辑晶体管。然后对栅极绝缘子进行铁电改性。

FMC首席执行官Stefan Müller表示:“我们所做的主要是基于晶体管的技术，基于单晶体管的铁电存储器。”“我们正在推动嵌入式领域的发展。这将是消费者领域的一款产品。”

同时，在研发方面，Nantero也在不断发展碳纳米管冲压件．对于嵌入式应用，富士通预计将提供基于Nantero技术的首个碳纳米管ram。

“我们的策略是为逻辑开发嵌入式内存。富士通将在2019年加大力度。”“与此同时，我们正在研究一种兼容dram的高容量设备。这将与DRAM竞争。”

因此，下一代存储器正在取得进展，为oem提供了大量选择。但要成为主流设备，它们还有很长的路要走。随着DRAM和闪存继续向前发展，它们可能永远也达不到这一点。

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