嵌入式存儲器的過(guò)去與現在

隨著(zhù)超大規模集成電路工藝的發(fā)展，人類(lèi)已經(jīng)進(jìn)入了超深亞微米時(shí)代。先進(jìn)的工藝使得人們能夠把包括處理器、存儲器、模擬電路、接口邏輯甚至射頻電路集成到一個(gè)大規模的芯片上，形成所謂的SoC(片上系統)。作為SoC重要組成部分的嵌入式存儲器，在SoC中所占的比重(面積)將逐漸增大。

近期臺積電技術(shù)長(cháng)孫元成在其自家技術(shù)論壇中，首次揭露臺積電研發(fā)多年的eMRAM(嵌入式磁阻式隨機存取存儲)和eRRAM(嵌入式電阻式存儲器)將分別訂于明后年進(jìn)行風(fēng)險性試產(chǎn)。預計試產(chǎn)主要采用22nm工藝。這種次世代存儲將能夠為物聯(lián)網(wǎng)、行動(dòng)裝置、高速運算電腦和智能汽車(chē)等四領(lǐng)域所提供效能更快和耗電更低的存儲效能。臺積電此舉讓嵌入式存儲器再度回到人們的視線(xiàn)中。本文將為你闡述嵌入式存儲器的前世今生。

何為嵌入式存儲器

嵌入式存儲器現在已經(jīng)不是一個(gè)新的概念了。相對于片外存儲器，嵌入式存儲器是指集成在片內與系統中各個(gè)邏輯、混合信號等IP共同組成單一芯片中的存儲器?，F已經(jīng)成為SOC芯片的基本組成部分，幾乎今天每個(gè)SOC芯片中嵌入式存儲器都占有一定比重。

按照掉電后數據是否會(huì )丟失，可將嵌入式存儲器分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是揮發(fā)性存儲器，另一類(lèi)則是非揮發(fā)性存儲器。揮發(fā)性存儲器是指掉電后數據會(huì )丟失，主要包括速度快、功耗低的SRAM和高密度的DRAM。而非揮發(fā)性存儲器則剛好相反，其在實(shí)際應用中主要包括eFlash、EEPROM以及eMRAM、eRRAM、ePRAM等次世代存儲器。

雖然都是存儲器，但二者還是有些許不同。嵌入式存儲器和分立式存儲器最重要的不同之處在于嵌入式存儲器往往跟應用IC自身的工藝特性條件有很大關(guān)系，比如用90nm和用45nm工藝做出來(lái)的芯片，其內部嵌入式存儲器大小差別也是很大的。而分立式存儲器件則主要圍繞存儲器器件工藝進(jìn)行優(yōu)化。

隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式存儲器在SOC中的面積所占比重也在逐年增加，從圖一可以看出，從1999年平均的20%上升到2007年的60-70%乃至2014年的90%的面積?？梢钥闯?，嵌入式存儲器對于芯片系統性能的影響越來(lái)越大。

圖一 嵌入式存儲器在SOC中所占芯片面積的比重。

嵌入式存儲器發(fā)展歷程

早在上世紀六七十年代，那時(shí)的半導體行業(yè)主要由IDM占據，每個(gè)公司從芯片設計、制造到封裝都自己做。各家都是獨立開(kāi)發(fā)自己的工藝、IP和相關(guān)芯片。

早期人們對于系統的要求包括集成度、速度、功耗都不高，因此分立式存儲器在那時(shí)占據主流位置，成為各應用廠(chǎng)家的首選。

后來(lái)到了上世紀八九十年代，fabless和foundry模式開(kāi)始出現，基于設計的復雜性以及產(chǎn)品設計周期兩方面考慮，開(kāi)始出現第三方的獨立IP供應商，如ARM公司。

隨著(zhù)芯片集成度的不斷提升，反過(guò)來(lái)給分立存儲器帶來(lái)了兩大挑戰：1)集成度和工藝開(kāi)始允許片內集成更多的存儲器;2)存儲器的速度發(fā)展遠遠落后于MPU的速度，MPU速度以每年60%在成長(cháng)，而存儲器只有10%。二者速度之間增長(cháng)的差異，如圖二所示。

圖二 MPU于DRAM隨時(shí)代變遷而發(fā)展的關(guān)系圖

同時(shí)片內存儲器具有靈活簡(jiǎn)單的接口、更低延遲和更寬總線(xiàn)，更為重要的是還能節省系統的空間大小，使得它日益受到集成電路設計師的青睞。在這一時(shí)期嵌入式存儲器主要以SRAM和DRAM兩種形式呈現。

到了九十年代中期，Intel做了一項重大創(chuàng )新，將片外高速緩沖器(Cache)集成到了片內。這直接導致當時(shí)一大批分立的片外高速緩沖存儲器廠(chǎng)商倒閉，成為嵌入式存儲器代替分立式存儲器的標志性事件。

到了今天一顆手機處理器超過(guò)90%的面積由各種嵌入式SRAM如寄存器堆，一二級緩存甚至三級緩存組成，嵌入式SRAM也成為晶圓代工廠(chǎng)的工藝技術(shù)衡量指標。由于SRAM由六個(gè)晶體管組成，而DRAM只有一個(gè)晶體管加一個(gè)電容組成，具有面積優(yōu)勢，當時(shí)很多廠(chǎng)商其實(shí)都在思考將DRAM嵌入到系統的可能性。

九十年代，當時(shí)IBM，Toshiba等大公司都在嘗試開(kāi)發(fā)嵌入式DRAM。但開(kāi)發(fā)并不順利，開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)在于DRAM工藝與常規邏輯工藝差異很大，工藝的整合難度相當大。雖然到今天，隨著(zhù)工藝的進(jìn)步，使得一些公司像TSMC也在重新審視eDRAM的可行性，并有部分成果，但是主流的設計還是沒(méi)有將eDRAM納入必備選項。

后來(lái)隨著(zhù)消費類(lèi)電子大幅成長(cháng)，不斷擴大的存儲需求刺激著(zhù)嵌入式閃存(eFlash)不斷發(fā)展。從早期，設計人員將程序簡(jiǎn)單固化在ROM中，到后來(lái)的OTP，EEPROM乃至現在很火的高密度eFlash內存。嵌入式內存能夠有效存儲代碼和數據，而且掉電后還不丟失，對很多應用都有重要意義。

然而走到今天，現有存儲技術(shù)暴露的一些缺陷，比如SRAM、DRAM的問(wèn)題在于其易失性，斷電后信息會(huì )丟失且易受電磁輻射干擾，這一缺陷極大限制了其在國防航空航天等一系列關(guān)鍵高科技領(lǐng)域的應用。而FLASH、EEPROM的寫(xiě)入速度慢，且寫(xiě)入算法比較復雜，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)處理系統中高速、高可靠性寫(xiě)入的要求，且功耗較高，無(wú)法滿(mǎn)足嵌入式應用的低功耗要求。

新型存儲器躍躍欲試

對于現有信息存儲產(chǎn)品的性能有了更高要求，迫切需要在存儲材料和技術(shù)方面取得突破。在這些需求的驅動(dòng)下，相繼出現了一些新型非易失存儲器，如鐵電存儲器(FRAM)、相變存儲器(PRAM)、磁存儲器(MRAM)、阻變存儲器(RRAM)。雖然說(shuō)這些是新型存儲器，但從某個(gè)角度看，這些存儲器已經(jīng)存在有一段日子了。

(1)鐵電存儲器(FRAM)

鐵電存儲器是一種掉電后信息不丟失的非易失存儲器，具有高速、高密度、低功耗和抗輻射等優(yōu)點(diǎn)。其核心基礎是鐵電晶體材料，采用鐵電效應作為其電荷存儲機制，同時(shí)擁有隨機存取存儲器(RAM)和非易失性存儲產(chǎn)品的特性。其結構圖如下圖所示。FRAM的工作原理是利用金屬-鐵電-半導體場(chǎng)效應晶體管結構，鐵電薄膜用來(lái)替代MOS管中的柵極氧化硅層，鐵電薄膜保持著(zhù)兩個(gè)穩定的極化狀態(tài)，分別表示“1”和“0”。

圖三 FRAM結構剖面圖

(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。

(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。

圖五 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)。