一文讀懂｜三大新興存儲技術(shù)：MRAM、RRAM和PCRAM

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、人工智慧(AI)、5G、工業(yè)4.0等應用推升資訊量呈現爆炸性的成長(cháng)，所有資料都必須在邊緣搜集，并且從邊緣到云端的多個(gè)層級進(jìn)行處理和傳輸、儲存和分析。

在如此龐大的資料儲存、傳輸需求下，在DRAM、SRAM以及NAND Flash等傳統記憶體已逐漸無(wú)法負荷，且再加上傳統記憶體的制程微縮愈加困難的情況之下，驅使半導體產(chǎn)業(yè)轉向發(fā)展更高儲存效能、更低成本同時(shí)又可以朝制程微縮邁進(jìn)的新興記憶體。

其中有3種存儲器表現突出 —— MRAM、RRAM和PCRAM。

存儲器，作為半導體元器件中重要的組成部分，在半導體產(chǎn)品中比重所占高達20%，是一個(gè)重要的半導體產(chǎn)品類(lèi)型。目前存儲器行業(yè)的主要矛盾是日益增長(cháng)的終端產(chǎn)品性能需求和尚未出現重大突破的技術(shù)之間的矛盾，具體一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，是內存和外存之間巨大的性能差異造成了電子產(chǎn)品性能提升的主要瓶頸。

同時(shí)，我們不希望讓摩爾定律增速放緩限制人工智能時(shí)代的計算增長(cháng)，我們是否為半導體設計和制造提供了一個(gè)新的劇本。這一戰略思想支撐著(zhù)今天針對物聯(lián)網(wǎng)和云計算推出的新一代高容量記憶體制造系統。

MRAM（Magnetic RAM）

MRAM（磁性隨機存儲器）它靠磁場(chǎng)極化而非電荷來(lái)存儲數據，存儲單元由自由磁層、隧道柵層、固定磁層組成。自由磁層的磁場(chǎng)極化方向可以改變，固定層的磁場(chǎng)方向不變，當自由層與固定層的磁場(chǎng)方向平行時(shí)，存儲單元呈現低電阻；反之呈高電阻，通過(guò)檢測存儲單元電阻的高低，即可判斷所存數據是0還是1。

MRAM當中包括很多方向的研究，如微波驅動(dòng)、熱驅動(dòng)等等，傳統的MRAM和STT-MRAM是其中最重要的兩大類(lèi)，它們都是基于磁性隧道結結構，只是驅動(dòng)自由層翻轉的方式不同，前者采用磁場(chǎng)驅動(dòng)，后者采用自旋極化電流驅動(dòng)。

對于傳統的MRAM，由于在半導體器件中本身無(wú)法引入磁場(chǎng)，需要引入大電流來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，因而需要在結構中增加旁路。因此，這種結構功耗較大，而且也很難進(jìn)行高密度集成（通常只有20-30F2）。若采用極化電流驅動(dòng)，即STT-MRAM，則不需要增加旁路，因此功耗可以降低，集成度也可以大幅提高。

MRAM的研發(fā)難度很大，其中涉及非常多的物理。磁性隧道結看似簡(jiǎn)單實(shí)則相當復雜。在這個(gè)結構中，很多材料都是在幾個(gè)納米，特別是對于MgO隧道層，要求只有1.3nm，并且是要完美的單晶。

MRAM特點(diǎn)

· 非易失：鐵磁體的磁性不會(huì )由于斷電而消失，故MRAM具備非易失性。

· 讀寫(xiě)次數無(wú)限：鐵磁體的磁性不僅斷電不會(huì )消失，而是幾乎可以認為永不消失，故MRAM和DRAM一樣可以無(wú)限次重寫(xiě)。

· 寫(xiě)入速度快、功耗低：MRAM的寫(xiě)入時(shí)間可低至2.3ns，并且功耗極低，可實(shí)現瞬間開(kāi)關(guān)機并能延長(cháng)便攜機的電池使用時(shí)間。

· 和邏輯芯片整合度高：MRAM的單元可以方便地嵌入到邏輯電路芯片中，只需在后端的金屬化過(guò)程增加一兩步需要光刻掩模版的工藝即可。再加上MRAM單元可以完全制作在芯片的金屬層中，甚至可以實(shí)現2~3層單元疊放，故具備在邏輯電路上構造大規模內存陣列的潛力。

但是MRAM最大的缺點(diǎn)是存儲單元之間存在干擾，當對目標位進(jìn)行編程時(shí)，非目標位中的自由層很容易被誤編程，尤其是在高密度情況下，相鄰單元間的磁場(chǎng)的交疊會(huì )愈加嚴重。

PCRAM（Phase Change RAM）

另一類(lèi)新型存儲器是PCRAM（相變隨機存儲器），它也是一種三明治的結構，中間是相變層（和光盤(pán)材料一樣，GST），這種材料的一個(gè)特性是會(huì )在晶化（低阻態(tài)）和非晶化（高阻態(tài)）之間轉變，利用材料晶態(tài)和非晶態(tài)之間轉化后導電性的差異來(lái)存儲信息，過(guò)程主要可以分為SET和RESET兩步。

注：相變材料在晶態(tài)和非晶態(tài)的時(shí)候電阻率差距相差幾個(gè)數量級，使得其具有較高的噪聲容限，足以區分“ 0”態(tài)和“ 1”態(tài)。目前各機構用的比較多的相變材料是硫屬化物（英特爾為代表）和含鍺、銻、碲的合成材料（GST），如Ge2Sb2Te5（意法半導體為代表）。

· 當材料處于非晶態(tài)時(shí)，升高溫度至高于再結晶溫度但低于熔點(diǎn)溫度，然后緩慢冷卻（這一過(guò)程是制約PCM速度的關(guān)鍵因素），材料會(huì )轉變?yōu)榫B(tài)（這一步驟被稱(chēng)為SET），此時(shí)材料具有長(cháng)距離的原子能級和較高的自由電子密度，故電阻率較低。

· 當材料處于晶態(tài)時(shí)，升高溫度至略高于熔點(diǎn)溫度，然后進(jìn)行淬火迅速冷卻，材料就會(huì )轉變?yōu)榉蔷B(tài)（這一步驟被稱(chēng)為RESET），此時(shí)材料具有短距離的原子能級和較低的自由電子密度，故電阻率很高。

PCRAM特點(diǎn)

· 低延時(shí)、讀寫(xiě)時(shí)間均衡：與NANDflash相比，PCM在寫(xiě)入更新代碼之前不需要擦除以前的代碼或數據，故其速度比NAND有優(yōu)勢，讀寫(xiě)時(shí)間較為均衡。

· 壽命長(cháng)：PCM讀寫(xiě)是非破壞性的，故其耐寫(xiě)能力遠超過(guò)閃存，用PCM來(lái)取代傳統機械硬盤(pán)的可靠性更高。

· 功耗低：PCM 沒(méi)有機械轉動(dòng)裝置，保存代碼或數據也不需要刷新電流，故PCM的功耗比HDD，NAND，DRAM都低。

· 密度高：部分PCM采用非晶體管設計，可實(shí)現高密度存儲。

· 抗輻照特性好：PCM存儲技術(shù)與材料帶電粒子狀態(tài)無(wú)關(guān)，故其具有很強的抗空間輻射能力，能滿(mǎn)足國防和航天的需求。

但是目前PCM存在的問(wèn)題有：在當一個(gè)器件單元中的相變材料處在高溫熔化狀態(tài)時(shí)，熱擴散可能會(huì )使相鄰的器件單元也發(fā)生相變，從而導致存儲信息的錯誤；目前二極管作為選通管是高密度PCM的一個(gè)主要選擇，但其制備工藝會(huì )導致同一字線(xiàn)上相鄰二極管之間會(huì )形成寄生三極管，而寄生三極管的串擾電流又會(huì )影響數據穩定性；材料發(fā)生非晶態(tài)和晶態(tài)之間的轉變時(shí)，其體積會(huì )發(fā)生變化，進(jìn)而可能導致相變材料和與其接觸的電極材料發(fā)生剝離，器件失效。

PRAM目前發(fā)展到了另外一個(gè)領(lǐng)域：Intel和美光2015年聯(lián)合推出了3D Xpoint技術(shù)。3D Xpoint技術(shù)的存儲單元的確是PRAM，但它找到了一種合適的選擇管，即1R1D的結構而不是1R1T結構，這和三星的方向完全不同。

3D Xpoint技術(shù)在非易失存儲器領(lǐng)域實(shí)現了革命性突破，雖然其速度略微比DRAM慢，但其容量卻比DRAM高，比閃存快1000倍。但也有明顯缺點(diǎn)：3D Xpoint采用堆迭結構，目前一般是兩層結構。堆迭層數越多，需要的掩模板個(gè)數就越多，而在整個(gè)IC制造工業(yè)中，掩模板占到了成本的最大份額。因此，從制造的角度來(lái)說(shuō)，要想實(shí)現幾十層的3D堆迭結構非常困難。

RRAM（Resistive RAM）

RRAM相比MRAM和PRAM，研究要稍晚。雖然這個(gè)現象早在1962年就被報道了，但沒(méi)有引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。直到2000年，美國休斯敦大學(xué)在A(yíng)PL上發(fā)表了一篇關(guān)于“在龐磁阻氧化物薄膜器件中發(fā)現電脈沖觸發(fā)可逆電阻轉變效應”的文章后，夏普公司買(mǎi)了該專(zhuān)利，才對RRAM開(kāi)始了業(yè)界的開(kāi)發(fā)，自此以后才引起學(xué)術(shù)界和業(yè)界的研究。主流存儲器廠(chǎng)商也紛紛投入力量，開(kāi)始對RRAM的研究。RRAM也已經(jīng)由實(shí)驗室階段進(jìn)入到企業(yè)的研發(fā)階段。

典型的RRAM（阻變式存儲器）由兩個(gè)金屬電極夾一個(gè)薄介電層組成，介電層作為離子傳輸和存儲介質(zhì)。RRAM看上去和PRAM相類(lèi)似，只是中間的轉變層的原理不同。相變是材料在晶態(tài)和非晶態(tài)之間轉變，而阻變是通過(guò)在材料中形成和斷開(kāi)細絲（filament，即導電通路）來(lái)探測結構的高低阻態(tài)。

選用材料的不同會(huì )對實(shí)際作用機制帶來(lái)較大差別，但本質(zhì)都是經(jīng)由外部刺激（如電壓）引起存儲介質(zhì)離子運動(dòng)和局部結構變化，進(jìn)而造成電阻變化，并利用這種電阻差異來(lái)存儲數據。目前最被接受的RRAM機理是導電細絲理論，基于細絲導電的器件將不依賴(lài)于器件的面積，故其微縮潛力很大。RRAM所選用的材料多為金屬氧化物，此外硫化物及有機介質(zhì)材料也受到了一定的關(guān)注。

RRAM特點(diǎn)

· 高速度：RRAM擦寫(xiě)速度由觸發(fā)電阻轉變的脈沖寬度決定，一般小于100ns。

· 耐久性：RRAM讀寫(xiě)和NAND不同，采用的是可逆無(wú)損害模式，從而可以大大提高其使用壽命。

· 具備多位存儲能力：部分RRAM材料還具備多種電阻狀態(tài)，使得當個(gè)存儲單元存儲多位數據成為可能，從而提高存儲密度。

RRAM的存儲器矩陣可以分為無(wú)源矩陣和有源矩陣兩種，無(wú)源矩陣的存儲單元由一個(gè)阻變元件以及一個(gè)非線(xiàn)性元件（一般使用二極管）相連，后者的作用是使阻變元件得到合適的分壓，從而避免阻變元件處于低阻態(tài)時(shí)，存儲單元讀寫(xiě)信息丟失。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是設計比較簡(jiǎn)單，工藝微縮性好，但采用無(wú)源矩陣會(huì )使相鄰單元間不可避免地存在干擾。有源單元則由晶體管來(lái)控制阻變元件的讀寫(xiě)與擦除，雖可良好隔離相鄰單元的干擾，但其設計更復雜，且器件可微縮性較差。

從容量上看，這三類(lèi)新型存儲器，MRAM最高達4Gb，PRAM最高達8Gb，RRAM最高達32Gb。它們和閃存相比，容量差別還很大，但是不要忘記，這三者的讀寫(xiě)速度都比閃存要快1000倍以上。

結語(yǔ)

新興內存技術(shù)已經(jīng)出現幾十年，如今發(fā)展到一個(gè)在更多應用中表現更重要的關(guān)鍵期，預計在2029年，這些新興內存市場(chǎng)可望創(chuàng )造200億美元的合并收入。另一方面，由于未來(lái)的制程微縮和規模經(jīng)濟提升將促使價(jià)格降低，并開(kāi)始將新興內存作為獨立芯片以及嵌入于A(yíng)SIC、微控制器(MCU)以及甚至運算處理器中，從而使其變得比現有的內存技術(shù)更具競爭力。

新興的內存涵蓋廣泛的技術(shù)，值得觀(guān)察的重點(diǎn)在于MRAM、PCRAM和RRAM。然而現在說(shuō)誰(shuí)將勝出還為時(shí)過(guò)早，盡管新興內存技術(shù)的未來(lái)前景光明，但他們仍然很難打入一些根深蒂固的技術(shù)市場(chǎng)。即使經(jīng)濟效益有所提升，新興內存也很難顛覆現有市場(chǎng)的主導地位。如果無(wú)法在成本方面勝出，那么無(wú)論誰(shuí)比這些根深蒂固的技術(shù)擁有再多的技術(shù)優(yōu)勢，也并不代表什么。

總而言之，AI、5G、IoT和工業(yè)4.0等發(fā)展讓資訊量呈現爆炸式的成長(cháng)，全新的運算需求驅動(dòng)記憶體朝更高容量、高讀寫(xiě)次數、更快讀寫(xiě)速度、更低功耗發(fā)展；而新興記憶體除滿(mǎn)足上述需求外，和傳統記憶體相比，還可實(shí)現制程微縮化，半導體產(chǎn)業(yè)遂積極投入新興記憶體發(fā)展，期能在未來(lái)取代DRAM、Flash和SRAM三大主流記憶體產(chǎn)品。