未來(lái)新型存儲器技術(shù)將主導存儲器市場(chǎng) 其中FeRAM有什么競爭優(yōu)勢

存儲器是半導體產(chǎn)業(yè)的風(fēng)向標和最大細分市場(chǎng)，約占半導體產(chǎn)業(yè)的三分之一。智能時(shí)代的到來(lái)，將引起存儲行業(yè)的新一輪爆發(fā)。新的存儲器和存儲器架構已經(jīng)籌劃了很長(cháng)時(shí)間，但仍未被廣泛采用。然而，許多業(yè)內人士認為臨界點(diǎn)已然將近。

存儲器是現代信息系統最關(guān)鍵的組件之一，已經(jīng)形成主要由DRAM與NAND Flash構成的超千億美元的市場(chǎng)。隨著(zhù)萬(wàn)物智聯(lián)時(shí)代的到來(lái)，人工智能、智能汽車(chē)等新興應用場(chǎng)景對存儲提出了更高的性能要求，促使新型存儲器迅速發(fā)展，影響未來(lái)存儲器市場(chǎng)格局。

新型存儲器是未來(lái)選擇

據YOLE統計，2019年以來(lái)，存儲器成為半導體增速最快的細分行業(yè)，總體市場(chǎng)空間將從2019年的1110億美元增長(cháng)至2025年的1850億美元，年復合增長(cháng)率為9%。細分市場(chǎng)中，新型存儲器市場(chǎng)增速最快，將從5億美元增長(cháng)到40億美元，年復合增長(cháng)率達到42%，發(fā)展潛力巨大。

存儲器可以按照斷電是否能保存數據分為兩類(lèi)。

· 第一類(lèi)易失性存儲器是以動(dòng)態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）和靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）代表的易失性存儲器，二者均具備高讀寫(xiě)速度。其中SRAM速度高于DRAM，但密度低于DRAM，這是因為一個(gè)DRAM存儲單元僅需一個(gè)晶體管和一個(gè)小電容，而每個(gè)SRAM單元需要四到六個(gè)晶體管。其共同的缺點(diǎn)是容量較低且成本高，一般分別用作主存和緩存。

· 第二類(lèi)非易失性存儲器包括以NOR FLASH和NAND FLASH為代表的傳統存儲器和四種新型存儲器。NOR FLASH的容量較小且寫(xiě)入速度極低，但讀速較快，具備芯片內執行的特點(diǎn)，適合低容量、快速隨機讀取訪(fǎng)問(wèn)的場(chǎng)景；NAND FLASH的容量大成本較低，但讀寫(xiě)速度極低，一般用于大容量的數據存儲。

存儲器的發(fā)展取決于應用場(chǎng)景的變化。

20世紀70年代起，DRAM進(jìn)入商用市場(chǎng)，并以其極高的讀寫(xiě)速度成為存儲領(lǐng)域最大分支市場(chǎng)；功能手機出現后，迎來(lái)NOR Flash市場(chǎng)的爆發(fā)；進(jìn)入PC時(shí)代，人們對于存儲容量的需求越來(lái)越大，低成本、高容量的NAND Flash成為最佳選擇。

智能化時(shí)代里，萬(wàn)物智聯(lián)，存儲行業(yè)市場(chǎng)空間將進(jìn)一步加大，對數據存儲在速度、功耗、容量、可靠性層面也將提出更高要求。而DRAM雖然速度快，但功耗大、容量低、成本高，且斷電無(wú)法保存數據，使用場(chǎng)景受限；NOR Flash和NAND Flash讀寫(xiě)速度低，存儲密度受限于工藝制程。市場(chǎng)亟待能夠滿(mǎn)足新場(chǎng)景的存儲器產(chǎn)品，性能有著(zhù)突破性進(jìn)展的新型存儲器即將迎來(lái)爆發(fā)期。

過(guò)去50年中，SRAM和DRAM已經(jīng)成為存儲器層次結構的主力，FLASH最近幾年也加入了“戰場(chǎng)”。所有這些存儲結構在往較小的幾何結構縮放的過(guò)程中都存在問(wèn)題，部分是因為它們都是平面結構。新的基于電阻開(kāi)關(guān)的存儲技術(shù)是金屬層結構，消除了許多制造問(wèn)題。因此，盡管我們今天可能不愿意采用它們，但它們可能是適合未來(lái)幾代產(chǎn)品的唯一的存儲技術(shù)。

目前，新型存儲器主要有4種：相變存儲器（PCM），鐵電存儲器（FeRAM），磁性存儲器（MRAM），阻變存儲器（ReRAM）。

什么是FeRAM？

FRAM（鐵電隨機存取存儲器Ferroelectric RAM），也稱(chēng)為FeRAM。FRAM并非使用鐵電材料，只是由于存儲機制類(lèi)似鐵磁存儲的滯后行為，因此得名。FRAM晶體材料的電壓-電流關(guān)系具有可用于存儲的特征滯后回路。

FeRAM是利用鐵電薄膜的雙穩態(tài)極化特性 —— 電滯回線(xiàn)制備的非易失性存儲器，將鐵電薄膜技術(shù)與集成電路工藝相結合制作鐵電存儲器（FeRAM），是新興的邊緣學(xué)科-集成鐵電學(xué)中電引入矚目的研究方向。

FeRAM使用了一層有鐵電性的材料，取代原有的介電質(zhì)，使得它也擁有非揮發(fā)性?xún)却娴墓δ?。它以鐵電物質(zhì)為原材料，將微小的鐵電晶體集成進(jìn)電容內，通過(guò)施加電場(chǎng)，鐵電晶體的電極在兩個(gè)穩定的狀態(tài)之間轉換，實(shí)現數據的寫(xiě)入與讀取。每個(gè)方向都是穩定的，即使在電場(chǎng)撤除后仍然保持不變，因此能將數據保存在存儲扇區而無(wú)需定期更新。

FeRAM的寫(xiě)入次數可以高達1014次和10年的數據保存能力。在重寫(xiě)某個(gè)存儲單元之前，FeRAM不必擦拭整個(gè)扇區，因此數據讀寫(xiě)速度也略勝一籌。此外，FeRAM的低工作電壓能夠降低功耗，這對移動(dòng)設備來(lái)講是很重要的。

下面的圖表解釋了PZT晶體結構，這種結構通常用作典型的鐵電質(zhì)材料。在點(diǎn)陣中具有鋯和鈦，作為兩個(gè)穩定點(diǎn)。它們可以根據外部電場(chǎng)在兩個(gè)點(diǎn)之間移動(dòng)。一旦位置設定，即使在出現電場(chǎng)，它也將不會(huì )再有任何移動(dòng)。頂部和底部的電極安排了一個(gè)電容器。那么，電容器劃分了底部電極電壓和極化，超越了磁滯回線(xiàn)。數據以“1”或“0”的形式存儲。

FRAM具有ROM（只讀存儲器）和RAM（隨機存取器）的特點(diǎn)，能兼容RAM的一切功能，并且和ROM技術(shù)一樣，是一種非易失性的存儲器。在高速讀寫(xiě)入、高讀寫(xiě)耐久性、低功耗和防竄改方面具有優(yōu)勢。

FeRAM是一種理想的存儲器，在計算機、航天航空、軍工等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，世界上許多大的半導體公司對此都十分重視。由于FeRAM的顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)以及巨大的市場(chǎng)需求，國際展開(kāi)了激烈的研究競爭。

目前在鐵電存儲器商業(yè)化中遇到的主要挑戰是缺少低成本的與硅基CMOS工藝集成的技術(shù)，達不到批量生產(chǎn)的原因主要是材料和存儲單元結構問(wèn)題。

· FRAM其存儲單元基于雙晶體管，雙電阻器單元，單元尺寸至少是DRAM的兩倍，存儲密度受限，成本較高。并且它的讀取是破壞性的，每次讀取后必須通過(guò)后續寫(xiě)入來(lái)抵消，以將該位的內容恢復到其原始狀態(tài)。

· 材料方面，目前鐵電晶體材料PZT（鋯鈦酸鉛）和SBT（鉭酸鍶鉍）都存在疲勞退化、污染環(huán)境等問(wèn)題，尚未找到完美商業(yè)化的材料。

此前受限于所用鐵電物質(zhì)特性的限制，該材料應用只局限于細分市場(chǎng)，但不久前英特爾發(fā)布的成果顯示，其記錄了FeRAM材料高達2納秒的極短訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間和10億次循環(huán)范圍內的極高寫(xiě)電阻（耐用性），意味著(zhù)FeRAM有望作為下一代嵌入式DRAM技術(shù)的可行方案。該項業(yè)界領(lǐng)先技術(shù)可提供更大內存資源和低時(shí)延讀寫(xiě)能力，用于解決從游戲到人工智能等計算應用所面臨的日益復雜的問(wèn)題。

上圖右側展現的是英特爾研發(fā)的低延遲內存技術(shù)：FeRAM。這種芯片將鐵元素引入芯片的制造，可以大大提高內存芯片的讀寫(xiě)速度，在2納秒完成讀寫(xiě)。同時(shí)，FeRAM技術(shù)能夠提高內存芯片的密度。

將FeRAM作為eDRAM也非常有趣。FeRAM鐵電存儲器本身和NAND閃存一樣屬于非易失性存儲，同時(shí)FeRAM還具備低延遲、高耐久和支持直接覆蓋寫(xiě)入等特點(diǎn)，使得可以作為SRAM的一個(gè)補充，提供更大緩存容量的同時(shí)還具備斷電不丟數據的特殊能力。英特爾會(huì )如何利用FeRAM的這些特性還有待后續觀(guān)察。