重回大眾視線(xiàn) 揭秘嵌入式存儲器的前世今生

　　(2)磁性存儲器(MRAM)

　　MRAM是利用材料的磁場(chǎng)隨磁場(chǎng)的作用而改變的原理所制成。利用磁存儲單元磁性隧道結(MTJ)的隧穿磁電阻效應來(lái)進(jìn)行存儲。

　　如下圖四所示，MTJ有三層，最上層為自由層，中間是隧道結，下面是固定層。自由層的磁場(chǎng)極化方向是可以改變的，而固定層的磁場(chǎng)方向固定不變。當自由層與固定層的磁場(chǎng)平行時(shí)，存儲單元呈現低阻態(tài);當磁場(chǎng)方向相反時(shí)，存儲單元呈現高阻態(tài)。MRAM通過(guò)檢測存儲單元電阻的高低，來(lái)判斷所存數據是0還是1。

　　圖四 MJT結構示意圖

　　(3)相變存儲器(PRAM)

　　PRAM的存儲原理是利用某些薄膜合金的結構結構相變存儲0和1的信息。通常這些合金具有兩種穩定狀態(tài)：具有低電阻的多晶狀態(tài)和具有高電阻的無(wú)定形狀態(tài)。PRAM應用硫系玻璃材料，利用硫族材料的電致相變特性，其在晶體和非晶體狀態(tài)呈現不同的電阻特性。當被加熱時(shí)呈晶體狀，為1狀態(tài);當冷卻為非晶體時(shí)，為0狀態(tài)。通過(guò)改變流過(guò)該晶體的電流就可以實(shí)現這兩種狀態(tài)的轉換。

　　圖五 相變存儲材料

　　(4)阻變式存儲器(RRAM)

　　RRAM的原理是通過(guò)特定的薄膜材料的電阻值在不同電壓下呈現的電阻值不同來(lái)區分0和1的值。RRAM的存儲單元具有簡(jiǎn)單的金屬/阻變存儲層/金屬(MIM)三明治結構如圖六所示。

　　圖六 RRAM器件結構圖

　　哪種存儲會(huì )是未來(lái)的選擇?

　　FRAM的讀寫(xiě)速度主要取決于鐵電材料的極化反轉特性，根據目前理論極化反轉速度可達到皮秒量級。

　　MRAM利用磁性存儲數據，容量成本低，具有低功耗、高速存取、無(wú)限次讀寫(xiě)、抗輻射能力強等優(yōu)點(diǎn)，在軍事、航空航天、移動(dòng)通訊等領(lǐng)域的應用有很大優(yōu)勢。

　　PRAM被認為是FLASH和DRAM的替代者，讀寫(xiě)速度是普通閃存的30倍，同時(shí)其擦寫(xiě)壽命也是閃存的10倍。PRAM的最大優(yōu)點(diǎn)是高效能和低耗電。

　　RRAM具有與CMOS工藝兼容性好、低功耗、易于隨先進(jìn)工藝微縮等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注?？偨Y這幾種新式存儲器優(yōu)缺點(diǎn)如下表所示。

　　表一 幾種存儲器性能對比

　　新型存儲器挑戰

　　FRAM目前作為新型存儲器的主要問(wèn)題是鐵電薄膜材料。未來(lái)發(fā)展需要解決的主要難題：一是采用3D結構縮小單元面積提高集成度;二是提高鐵電薄膜特性。

　　RRAM還是一項前沿的研究課題，目前還主要停留在實(shí)驗室階段。未來(lái)材料的尋找仍然是RRAM面臨的主要問(wèn)題。

　　而臺積電未來(lái)選擇先生產(chǎn)的MRAM和PRAM也會(huì )遇到挑戰。MRAM的主要問(wèn)題在于其高昂的制造成本。其次MRAM依靠磁性存儲材料，磁場(chǎng)會(huì )對周?chē)男酒a(chǎn)生怎樣的影響需要仔細考慮。

　　而PRAM的最大問(wèn)題是成本和容量。目前PRAM的單位容量成本還是比NAND高不少。發(fā)熱對于PRAM而言是個(gè)大問(wèn)題，由于PRAM需要加熱電阻式材料發(fā)生相變，隨著(zhù)工藝越來(lái)月先進(jìn)，單元變得越來(lái)越精細，對于加熱元件的控制要求也將越來(lái)越高，那發(fā)熱帶來(lái)的影響也將加大。發(fā)熱和耗電可能會(huì )制約PRAM的進(jìn)一步發(fā)展。

　　嵌入式存儲器未來(lái)

　　嵌入式存儲器具有大容量集成的優(yōu)勢，是SOC的重要組成部分，具有重要的創(chuàng )新性和實(shí)用性。何種嵌入式存儲器將取得最終的成功，取決于多方面的因素：能否與標準CMOS工藝兼容，在不斷增加復雜性的工藝步驟的基礎上，實(shí)現大容量的片上集成，從而提高其性?xún)r(jià)比;能否隨著(zhù)工藝的發(fā)展縮小尺寸，解決超深亞微米工藝的延續性和擴展性問(wèn)題，這是所有采用電容結構存儲信息的存儲器面對的共同挑戰;能否滿(mǎn)足片上其他高速邏輯的帶寬需要，構成帶寬均衡、穩定簡(jiǎn)潔的集成系統;準確的市場(chǎng)定位，保持量產(chǎn)。

　　總而言之每項技術(shù)的發(fā)展都有其機會(huì )與挑戰。而無(wú)懼挑戰勇于創(chuàng )新的企業(yè)最終將贏(yíng)得市場(chǎng)。