晶圓代工開(kāi)始關(guān)注新型存儲

NOR Flash 內存的發(fā)展已達到了極限，因為它無(wú)法相容在 28nm 以下的制程技術(shù)，這讓用新興的存儲器作為替代成為低風(fēng)險的方式，低功耗應用也很適用于新世代存儲器。但更高密度對大多數新興存儲器來(lái)說(shuō)仍然是一個(gè)挑戰。

新世代存儲器正進(jìn)入一個(gè)新的階段，就像前幾年的相變存儲器（PCM)。就在分析師 Thomas Coughlin 與 Jim Handy 匯整年度報告時(shí)，英特爾（Intel）宣布以 PCM 3D XPoint 技術(shù)的 Optane 即將落幕，這表示「新世代存儲器進(jìn)入下一階段」進(jìn)行最后的調整。

新世代存儲器的下一階段主要的芯片代工廠(chǎng)——三星（Samsung)、臺積電（TSMC）與 GlobalFoundries——生產(chǎn)電阻式隨機存取存儲器（ReRAM）或磁阻式隨機存取存儲器（MRAM)。

Handy 說(shuō)：「這就是我們所期待大多商業(yè)模式的來(lái)源，」他另外提到，嵌入式新世代存儲器的成長(cháng)將源于 ReRAM 與 MRAM 放置在微控制器（MCU)、ASIC 甚至現場(chǎng)可編程邏輯閘陣列（FPGA）等元件中?！付宜饕鳛?NOR 快閃存儲器的可替代式元件?！?/span>

NOR 快閃存儲器已達到了極限，因為它無(wú)法相容在 28nm 以下的制程技術(shù)，這讓用新興的存儲器作為替代成為低風(fēng)險的方式，低功耗應用也很適用于新世代存儲器。

鐵電隨機存取存儲器（FRAM）是新世代存儲器很好的例子，它填補了低密度的利基需求——其輻射耐受性是英飛凌科技（Infineon Technologies）將其應用于太空的原因。在今年年初時(shí)，英飛凌宣布其 2MB 的序列周邊介面 FRAM，該公司聲稱(chēng)這是太空產(chǎn)業(yè)中的第一個(gè)輻射硬化（rad-hard) FRAM。除了輻射耐受性，FRAM 在運作過(guò)程中的低能耗使其成為太空的首選，因為電力寶貴，而且與非揮發(fā)性 E2PROM 與串列 NOR 快閃裝置相比，還具有更出色的寫(xiě)入能力。

FRAM 在汽車(chē)、外太空領(lǐng)域具備可靠性

最近，英飛凌推出了 8Mb 與 16Mb 的 Excelon F-RAM 存儲器，旨在滿(mǎn)足下一代汽車(chē)與工業(yè)系統的非揮發(fā)性資料記錄需求。這些系統與外太空一樣，工作環(huán)境惡劣，需要額外的保護來(lái)協(xié)助防止資料遺失。英飛凌汽車(chē)部門(mén) RAM 產(chǎn)線(xiàn)負責人 Ramesh Chettuvetty 在接受《EE Times》采訪(fǎng)時(shí)表示，這些最新的 FRAM 提供業(yè)內最高的密度，能符合自動(dòng)化，并提高與感測器連接，快速成長(cháng)所帶來(lái)的資料記錄的要求需求。

英飛凌在 FRAM 方面的投資可以回溯到很久之前，部分原因是收購了 Cypress Technologies。Chettuvetty 提到，除了低電力與耐輻射之外，新世代存儲器的吸引力在于其資料傳輸時(shí)的可靠性，使其成為汽車(chē)等業(yè)界執行重要任務(wù)資料記錄的首選，因為在上述業(yè)界中，對資料記錄的要求非常嚴格。FRAM 是目前 NOR 快閃存儲器的理想替代品，NOR 快閃存儲器損耗很快，不過(guò)在對資料記錄的要求并非重要任務(wù)的地方，快閃存儲器仍然是首選，因為價(jià)格便宜。

無(wú)論可靠性要求如何，低密度 FRAM 仍有市場(chǎng)的需求，即使記錄產(chǎn)生的資料量增加。如果空間是最后的戰場(chǎng)，那么高密度就是 FRAM 的下一個(gè)戰場(chǎng)。

Chettuvetty 說(shuō)：「現有技術(shù)在密度上存在一定的限制?！顾麩o(wú)法詳細說(shuō)明，但英飛凌正在探討如何透過(guò)研究不同的材料將 FRAM 的密度提高到 16Mb 以上。

FRAM 因其非揮發(fā)性和低功耗而存在了將近 40 年，這得益于，與其他存儲器相比，FRAM 具備較低的開(kāi)關(guān)能源。正如 Coughlin/Handy 報告所提出，這種新興的存儲器似乎比所有其他新興的存儲器類(lèi)型總和的銷(xiāo)售量還多。FRAM 的應用包含富士通（Fujitsu）生產(chǎn)地鐵卡的 RFID 芯片，每筆交易都是由無(wú)線(xiàn)電訊號所產(chǎn)生的電能來(lái)驅動(dòng)。

FRAM 面臨的挑戰是，由于鉛（lead）與鉍（bismuth）的材料問(wèn)題，很難與標準 CMOS 制程結合，因此它在較小的制程中不能量產(chǎn)——能夠與現有的 CMOS 制程結合并采用 3D 技術(shù)是量產(chǎn)的重要因素。今天，三種類(lèi)型的 FRAM 單元的開(kāi)發(fā)工作仍在繼續：基于電容式 FRAM、鐵電場(chǎng)效晶體管（FeFET）與氧化鉿鋯鐵電穿隧接面（ferroelectric tunnel junction)。報告指出，在過(guò)去十年中，新的無(wú)鉛與無(wú)鉍材料對 FRAM 燃起新的希望，其中包括氧化鉿（hafnium oxide)。

德國 Dresden 鐵電存儲器（FMC）在 NAMLABS 于 2011 年發(fā)表氧化鉿研究基礎上，克服 FRAM 的限制。氧化鉿可作為所有高介電常數金屬閘極（HKMG）制程節點(diǎn)的閘極絕緣體，從而采用標準式 HKMG 晶體管，并將其閘極絕緣體修改為鐵電，以創(chuàng )造一個(gè)非揮發(fā)性的 HKMG 晶體管——FeFET。

FRAM 和 ReRAM 都有相似的成功和挑戰。兩者都具有耐輻射性，并且在較小的密度下取得了一些成功，但 ReRAM 也在努力擴大密度，并實(shí)現離散存儲器商業(yè)化。Weebit Nano 可以說(shuō)是最活躍和最引人注目的 ReRAM 公司，該公司的大部分重點(diǎn)一直是為其離散式氧化硅 ReRAM 開(kāi)發(fā)必要的選擇器技術(shù)。

ReRAM 透過(guò)選擇器的進(jìn)步來(lái)打破障礙

這家以色列公司完成對其研發(fā)伙伴 CEA-Leti 所制造的 ReRAM 模組全面的技術(shù)鑒定，CEA-Leti 在 Weebit 的進(jìn)展中發(fā)揮了重要作用。Weebit 行銷(xiāo)副總裁 Eran Briman 提到，該鑒定是根據 JEDEC 非揮發(fā)性存儲器（NVM）的業(yè)界標準來(lái)進(jìn)行，證實(shí) Weebit 的嵌入式技術(shù)適合批量生產(chǎn)。其 ReRAM 展示芯片包括完整的嵌入式應用子系統，包括 Weebit ReRAM 模組、RISC-V MCU、系統界面、存儲器與周邊設備。

今年年初，Weebit Nano 展示了其如何將最初的 ReRAM 模組結合到一個(gè)完整的子系統中，包括一個(gè) RISC-V MCU、系統界面、靜態(tài)隨機存取存儲器（SDRM）與周邊。來(lái)源：Weebit Nano

同時(shí)，Weebit 的嵌入式 ReRAM 模組已經(jīng)從 SkyWater 的美國生產(chǎn)廠(chǎng)交付給 Weebit——這是第一次從生產(chǎn)廠(chǎng)收到 Weebit ReRAM 的硅晶圓——并證明其 ReRAM 可以用標準工具與成熟的制程生產(chǎn)，使其更容易被客戶(hù)的系統單芯片（SoC）設計所采用。

Briman 在接受《EE Times》采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)到，Skywater 的交付是一個(gè)重要的里程碑。該公司與 CEA-Leti 一起，最近展示了其 ReRAM 選擇器如何使用標準材料與工具實(shí)現離散芯片所需的高密度，同時(shí)也能夠嵌入應用，為未來(lái) SoC 提供更高的 NVM 密度。他說(shuō)，這意味著(zhù)該選擇器可以在臺積電等晶圓代工廠(chǎng)結合到嵌入式裝置中?！高@相當有意義，因為這意味著(zhù)我們可以縮小這些存儲器陣列尺寸?！?/span>

精心設計一個(gè)選擇器是很重要的，因為它可以確保只有應該被存取的特定單元實(shí)際被存取，而所有其他單元都被斷開(kāi)，不會(huì )受到影響。嵌入式 ReRAM 設計傳統上使用晶體管作為選擇器元件，但它們增加了一個(gè)儲存位元的單元面積，不能支持離散芯片所需的高密度。進(jìn)一步發(fā)展 ReRAM 的其他方法包括 3D 堆疊式 ReRAM 交叉點(diǎn)結構與技術(shù)，可以提高每個(gè)芯片的位元容量，以及最大限度地降低成本。

Weebit 兩年前開(kāi)始加大離散 ReRAM 的開(kāi)發(fā)力道，當時(shí)的驅動(dòng)力是潛在客戶(hù)的迫切需求，以及離散 ReRAM 在遇到量產(chǎn)挑戰時(shí)，成為 NOR 快閃存儲器替代品的現實(shí)機會(huì )。正如 Weebit 執行長(cháng) Coby Hanoch 之前告訴《EE Times》的那樣，當時(shí)的計劃是，嵌入式 ReRAM 的收入將為離散方面的進(jìn)展提供資金，包括選擇器，而對神經(jīng)形態(tài)運算應用的資源投入時(shí)機是一個(gè)長(cháng)期的機會(huì )。

Briman 說(shuō)，與英飛凌的 FRAM 一樣，Weebit 的 ReRAM 是工業(yè)級的，這使得它對包括汽車(chē)與航空航天在內的惡劣環(huán)境非常有用，特別是在快閃存儲器無(wú)法處理輻射的地方?！肝覀兊漠a(chǎn)品面對輻射非常強健，在高溫狀態(tài)也非常穩健?！?/span>

他說(shuō)，Yole Group 發(fā)表的其他研究報告預測，嵌入式 ReRAM 市場(chǎng)將在 5 年內達到 10 億美元大關(guān)，而且晶圓代工廠(chǎng)、晶圓廠(chǎng)與整合元件制造商（IDM）也有很大的興趣。

Briman 說(shuō)，ReRAM 的主要挑戰是繼續縮小到更低的制程節點(diǎn)。Weebit 很快就會(huì )推出 22 納米與 8Mb 元組的存儲器模組，「而且我們已經(jīng)在研究更先進(jìn)的制程節點(diǎn)」。但他指出，每個(gè)節點(diǎn)都有自己的資格要求，以確?？煽啃耘c耐用性，同時(shí)在縮小規模時(shí)保持存儲器單元的電流與電壓，所以前面有許多技術(shù)挑戰?！笍那度胧绞袌?chǎng)開(kāi)始，它的存儲器陣列較小，是進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)的一個(gè)更好的入口。嵌入式領(lǐng)域有足夠大的市場(chǎng)機會(huì )?！?/span>

根據 Coughlin/Handy 的報告，除了 Weebit 之外，目前還有一些 ReRAM 元件可用于特殊應用。CrossBar 已經(jīng)對一個(gè) 40 納米的 ReRAM 進(jìn)行了采樣，由其代工伙伴中芯國際制造，Microsemi（已被 Microchip 收購）與 Microchip 授權其技術(shù)。該公司最近一直專(zhuān)注于將其技術(shù)應用于硬件安全應用，其形式是基于 ReRAM 的加密物理不可仿制（unclonable）功能密鑰，可在安全運算應用中生成。這些密鑰并不是新技術(shù)，但由于網(wǎng)絡(luò )銀行與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的出現而得到更多關(guān)注，這為銀行卡或支付終端等專(zhuān)用電子設備的安全之外創(chuàng )造了機會(huì )。

Coughlin/Handy 報告指出的 ReRAM 的其他應用包括人工智能。與 PCM 一起，它通常被稱(chēng)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的架構中儲存線(xiàn)性加權配置，這是一種非常簡(jiǎn)化地推理引擎，可以在非常短的時(shí)間內以低精準度執行大量的數學(xué)運算。

MRAM 實(shí)現了更高的密度

與 FRAM 與 ReRAM 不同，MRAM 作為離散與嵌入式存儲器在量產(chǎn)與提供顯著(zhù)密度方面取得了更多進(jìn)展，它有多種形式，其中有兩種更常見(jiàn)的存儲器產(chǎn)品：Toggle 模式與自旋轉移矩（spin transfer torque，STT)。切換式 MRAM 正在成為替代 SRAM 的持久性存儲器標準，并被用于運輸、航空航天、企業(yè)、醫療、物聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)應用。

隨著(zhù) STT MRAM 密度的擴大，它正逐漸走向成為資料中心應用的通用存儲器，因為與 Toggle 相比，它可以達到更高的密度、更低的功耗，并降低成本。Everspin Technologies 擁有離散與嵌入式存儲器件的產(chǎn)品線(xiàn)，最近，該公司推出了 EMxxLX STT-MRAM 元件，該元件設計用于資料持久性與完整性、低電力、低延遲與安全性至關(guān)重要的電子系統，如工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT)、網(wǎng)絡(luò )/企業(yè)基礎設施、過(guò)程自動(dòng)化與控制、航空航天、醫療、游戲與 FPGA 配置。

Everspin Technologies 總裁暨執行長(cháng) Sanjeev Aggarwal 在接受《EE Times》采訪(fǎng)時(shí)提到，其最新的 MRAM 可以在高密度下取代 NOR 快閃存儲器。對于 Everspin 來(lái)說(shuō)，將離散的 MRAM 產(chǎn)品推向市場(chǎng)要比嵌入式產(chǎn)品更快，對于后者，它正與 GlobalFoundries 等代工伙伴進(jìn)行大量合作。雖然 Toggle 和 STT MRAM 在溫度范圍、速度和資料保留方面都非常適合工業(yè)應用，但「STT MRAM 允許我們將 MRAM 從低密度擴展到高密度，」Aggarwal 提到。當其進(jìn)入更小的節點(diǎn)時(shí)，所需要更的電流會(huì )更少。

Aggarwal 說(shuō)，Everspin 已經(jīng)為資料中心應用提供了近五年的 DDR 界面 MRAM，并不斷擴大其 SRAM 替代產(chǎn)品的市場(chǎng)比重。MRAM 替代的另一個(gè)候選者是 NOR 快閃存儲器，與其他新世代存儲器相比，它的優(yōu)勢之一是不需要做任何擦除。Aggarwal 說(shuō)：「對于電阻式存儲器，需要有一個(gè)擦除命令，這會(huì )導致更長(cháng)的延遲與更高的功率?！顾⒀a充，另一個(gè)市場(chǎng)機會(huì )是在 FPGA 內，它也采用 NOR 快閃存儲器。

盡管 MRAM 有這么多機會(huì )，Aggarwal 并不幻想它能完全取代 DRAM，包括低電力 DRAM 或 NAND 快閃存儲器?！肝也徽J為從成本角度來(lái)看，我們將永遠沒(méi)有競爭力，但我們能做的是作為相鄰的存儲器。且作為相鄰的存儲器，STT MRAM 仍有相當大的優(yōu)勢?！?/span>

Aggarwal 表示，鄰接可以透過(guò) Compute Express Link (CXL）界面來(lái)完成，該界面旨在最佳化存儲器資源的使用，以便將正確的存儲器用于正確的工作負載，同時(shí)盡量減少資料必須傳輸的距離?！窩XL 所做的是允許你在設備側處理具有不同延遲的存儲器。在這個(gè)意義上，CXL 是 MRAM 可以使用的界面?！?/span>

Coughlin/Handy 報告指出，MRAM 的重要優(yōu)勢在于它需要更少的遮罩，從而降低了生產(chǎn)的復雜性。由于 PCM 尚未成為一種可行的代工技術(shù)，而 ReRAM 在很大程度上仍處于研究與開(kāi)發(fā)階段，嵌入式 MRAM 看起來(lái)是嵌入式 NOR 快閃存儲器的資料。它還能耐受輻射，使它對空間硬化的應用非常有用。Everspin 最近與 QuickLogic 簽訂了一份合約，提供 MRAM 技術(shù)、設計與后段制造服務(wù)。他們將共同開(kāi)發(fā)與演示戰略防輻射、高可靠性的 FPGA 技術(shù)，以支援已確定與未來(lái)的美國國防部（DoD）策略與空間系統要求。

報告指出，除了 Everspin，其他著(zhù)名的 MRAM 開(kāi)發(fā)商包括 Avalanche Technology，該公司幾年來(lái)一直在研究自家版本的垂直 STT MRAM，并主要關(guān)注軍用級產(chǎn)品，而三星為其嵌入式產(chǎn)品制定了廣泛的 MRAM 開(kāi)發(fā)計劃。2022 年初，該公司展示了一種處理儲存資料并用于人臉檢測的存儲器運算 MRAM 芯片；三星的芯片將運算元素添加到 64 × 64 單元的 MRAM 元件橫條陣列中，以加快人工智慧任務(wù)。

近年來(lái)另一個(gè)備受矚目的新興存儲器是 PCM，但其在市場(chǎng)上的成長(cháng)完全依賴(lài)美光（Micron）和 Intel 聯(lián)合開(kāi)發(fā)的 3D XPoint 技術(shù)。隨著(zhù)美光在 2021 年 3 月退出該市場(chǎng)，幾乎沒(méi)有什么產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，而 Intel 在經(jīng)過(guò)認真的開(kāi)發(fā)投資和行銷(xiāo)后，在 2022 年夏天停掉了其 Optane 固態(tài)硬碟（SSD）和 DIMM，由于 Optane 并未成功，所以他懷疑是否有人會(huì )再追捧它，但如果 Intel 出售專(zhuān)利或工程師接手經(jīng)營(yíng)一家可以為其他應用做 PCM 的獨立公司，他也不會(huì )感到驚訝。

整體而言，Handy 指出有一些利基市場(chǎng)需要新興存儲器的特定性能，如耐輻射性?！脯F在人們真正重視新興存儲器技術(shù)的地方是對電源敏感的應用，所以這將是該技術(shù)獲得立足點(diǎn)的一個(gè)較佳領(lǐng)域?！沟f(shuō)，最終，新興的存儲器仍然面臨著(zhù)一個(gè)長(cháng)期以來(lái)的「雞和蛋」挑戰，即使它們有可能解決更高密度的問(wèn)題。

「如果采用更嚴格的制程，可以達到更高的密度，但采用更嚴格的制程需要成本?！笻andy 總結。