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半导体芯片技术的成熟,也让我们看到了存储器领域的下一个元年
发布时间:2018-08-28
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半导体芯片_存储器

 

存储这个名词对于我们每个人来说,都不陌生,大到电脑小到手机(当然还有更大更小的东西),从最开始的几十兆到现在的几个T,发展速度可谓肉眼可见,而且,大部分人在不了解所谓配置的时候,但挑选电子产品的时候一定会选择大的内存,也就是我们所说的存储器。

 

而目前,随着各种半导体芯片技术的茁壮成长,越来越多的高新产品涌入市场,存储器方面同样如此。

 

多年来,存储器行业一直致力于各种存储技术的研究,包括碳纳米管RAM、FRAM、MRAM、相变存储器和ReRAM。有些已推出,有些仍在研发中。这些不同类型的存储器都对应特定的应用领域,但都势必将在存储器家族中取代一个或者多个传统型存储。

 

当前的存储器能够正常运作,但是它们正在努力跟上系统中数据和带宽需求的激增。例如,DRAM速度快但耗电量大,而NAND和硬盘驱动器既便宜但运行速度较慢。

 

在这个层次结构的第一层中,SRAM集成到处理器中以支持快速数据访问。层次结构中的下一层DRAM用于主存储器。磁盘驱动器和基于NAND的固态硬盘(SSD)则用于信息存储。

 

这彰显了下一代存储器的用武之地。新型存储器结合了SRAM的速度和Flash的非易失性和良好的耐久性。这些技术拥有出色的规格,但它们要么迟迟未出现,要么效能不尽人意。

 

事实上,将许多新型存储器投入大规模生产一直是一个难题。它们依赖新型材料和转换机制,也难以制造或者运行,同时价格也非常昂贵。

 

总而言之,新型存储器仍然是利基产品,但是有很明显的进展。例如,英特尔正在持续推进名为3D XPoint的下一代存储器。紧接着,GlobalFoundries、三星(Samsung)、台积电(TSMC)和联华电子(UMC)正在为嵌入式市场开发新的存储器类型。有分析认为,“真正重要的是,逻辑晶圆厂正在为嵌入式存储器开发MRAM和resistance RAM。对于独立的存储器市场来说,成本很高。只有愿意投入巨大成本的人才会考虑。”

 

3D XPonit

 

3D XPoint的兴起

 

3D XPoint的兴起已经持续一段时间,下一代存储器还在升级。每一种新型存储器都会被宣称它们性能比传统存储器更优越。

 

不过,至少目前来说,新的存储器不可能取代DRAM、Flash和SRAM。

 

这一切都归结于性能、容量与成本。举个例子,指定存储器的单元格大小等于特特征尺寸(F)乘以4的平方。最小的单元格大小是4F2。最新的3D NAND包含每个单元储存4个数据(QLC),理论上可以转换为1F2的单元大小。

 

但是,“如果它想取代NAND,就必须比1F2更便宜。据我所知,我们在有生之年不会看到这种情况。”身为存储器专家的Nantero公司董事会成员Ed Doller如是说道。

 

同理,若要取代DRAM,新的存储器类型必须更便宜,而且必须在它周围有一个完整的基础设施,比如DRAM兼容的接口和控制器。

 

那如果新的存储器类型不会取代传统的技术,那么它们适合应用在哪些地方?Lam Research高级技术总监Alex Yoon曾在一篇博客中写道,“云计算和最新的移动产品等应用正在推动对新型存储器的需求,这些新型存储器将DRAM的速度与NAND更高的比特密度以及更低的成本结合起来。”为了达到这些标准,科研人员正在探索一些新技术。有些公司瞄准的是嵌入式应用,比如系统级半导体芯片(system-on-chips,SoCs),而另一些公司则专注于存储类存储器空间。

 

目前,新型存储器已经开拓了现在的存储器无法满足的利基市场,甚至还从DRAM和Flash那里抢占了一些市场,但目前还不清楚这种新型存储器是否会成为主流技术。

 

目前为止,依然没有一种能够满足所有需求的新型存储技术。因此,随着时间的推移,客户可能会使用一种或多种存储器技术。“它们是竞争关系,功能存在重叠,但是它们在市场上都有属于各自的一席之地。”ReRAM供应商Crossbar的营销和业务开发副总裁Sylvain Dubois表达了他的观点。

 

但值得一提的是,有一项技术正在进展中。市场的一个重大变化是3D XPoint的崛起,这是英特尔(Intel)和美光(Micron)开发的下一代技术。

 

半导体芯片

 

当3D XPoint在2015年正式推出时,它被称为是一种介于DRAM和NAND之间的存储技术。它的速度和耐久性都是NAND的1000倍。

 

然而,实际上3D XPoint的推出被延迟了,并且没有达到那些标准。不过,分析认为,“3D XPoint可能被过度炒作了。但3D XPoint仍然是相当惊人的,其盈利将超过所有其他非易失性存储器的总和。”

 

事实上,在几次延迟之后,英特尔正在升级基于3D XPoint的SSD和其他产品。最终,英特尔将把这项技术用于服务器里的DIMM。基于3D XPoint,英特尔将拥有速度最快、耐久性最高的SSD。

 

有数据显示,到2020年,3D XPoint的收入预计将达到15亿美元。相比之下,MRAM在2017年的销售额为3600万美元。其他新型存储器的营收则少到不容易被注意。但相比DRAM和NAND,新型存储器的营收仍然显得苍白无力。

 

与此同时,3D XPoint是基于一种叫做相变存储器(PCM)的技术。PCM以非晶相和晶体相存储信息。它可以通过外部电压进行可逆切换。

 

基于双层堆叠结构,3D XPoint采用20nm几何尺寸,具有128千兆位的密度。根据相关数据,其读取延迟大约为125ns,持续时间为200K。

 

这项技术速度很快,但并没有达到NAND的1000倍。它的成本也比NAND高得多,这不是DRAM的替代品,它在某些程度上为DRAM提供了补充。

 

3D XPoint的下一步是什么?最大的机遇在于DIMM的空间。英特尔的DIMMs由将会集成3D XPoint和DRAM,并利用3D XPoint的性能特点来优化处理器和架构。

 

不过,这项技术的未来仍不确定。英特尔和美光正在分别开发3D NAND和3D XPoint。正如之前宣布的,两家公司将完成目前两类产品的开发,然后独立开发这些技术。目前还不清楚美光是否会推出3D XPoint产品。迄今为止,美光还没有推出3D XPoint产品,因为这项技术似乎与其DRAM和NAND产品存在竞争。

 

显然,英特尔有资源独自开发3D XPoint。但问题是,英特尔是否会利用这项技术收回其大规模的研发投资。

 

与此同时,这行业还在开发其他新的存储器,如MRAM和ReRAM。与3D XPoint一样,MRAM和ReRAM可以作为独立产品进行生产和销售。

 

3D XPoint不是作为嵌入式存储器出售的。相比之下,MRAM和ReRAM可以用于嵌入式存储市场。

 

对于MRAM,该行业正在开发下一代技术,称为自旋传递转矩MRAM(STT-MRAM)。STT-MRAM利用电子自旋的磁性为半导体芯片提供非挥发性特性。它结合了SRAM的速度和Flash的非波动性,具有无限的持久性。

 

在传统存储器中,数据以电荷的形式存储。相比之下,MRAM使用一个磁隧道结(MTJ)存储单元作为存储单元。

 

MTJ由一个存储器堆栈组成,它可以为给定的应用程序重新配置。但在调优MTJ堆栈时,在持久度、数据保留和写入脉冲宽度方面存在一些权衡。在MTJ堆栈的设计中,存在固有的权衡。例如,你可以通过放弃数据保留来优化栈的耐久性,反之亦然。

 

这允许人们以不同的方式处理不同的应用。例如,如果你正在执行嵌入式MRAM,并且正在尝试构建一个用于代码存储的嵌入式NVM,那么提高数据保留和放弃持久性的能力则非常适合这个应用。

 

迄今为止,Everspin是唯一一家基于STT-MRAM的独立部件的公司。Everspin已经推出一款基于40nm制程的256兆比特器件,目前正在研制一款28nm制程的1gb器件。Avalanche、Crocus、三星、东芝、SK Hynix、Spin Transfer等公司仍在研发STT-MRAM,但尚未投产。

 

嵌入式MRAM的发展势头正在增强。GlobalFoundries、三星(Samsung)、台积电(TSMC)和联华电子(UMC)正在为代工客户开发28nm/22nm的嵌入式MRAM。

 

在嵌入式市场中,行业使用微控制器(MCUs)。MCUs在同一半导体芯片上集成了多个组件,如CPU、SRAM、嵌入式存储器和外设。嵌入式存储器(如NOR Flash)用于代码存储。

 

基于40nm及以上的嵌入式或Nor Flash的MCU处于出货阶段。目前,该行业正在研发28nm制程的MCU,16nm/14nm制程半导体芯片。

 

问题是,在28nm及更大范围内扩展嵌入式Flash是很困难的。UMC产品营销总监David Hideo Uriu说道,“许多人认为28nm/22nm制程将是eFlash的终结,不是因为可扩展性的限制,而是因为经济障碍。”“你能将嵌入式Flash扩展到28nm以上吗?”答案是肯定的,因为我们将在22nm节点支持它。但是宏观设计的本质上和28nm是一样的。

 

“一旦超过28nm/22nm,eFlash将需要多于15个掩模加法器在前端线的进程。额外的掩模加法器制造了成本障碍,为铸造行业带来挑战,无论是寻求替代非易失性存储器,还是继续投资额外的资源以推动现有eFlash技术的边界,”UMC产品营销总监David Hideo Uriu补充道。

 

因此,功耗低、读写速度快的嵌入式MRAM正在开发进程中,将会取代28nm及以上的嵌入式NOR Flash。这是GlobalFoundries前沿CMOS副总裁Mike Mendicino的看法。

 

例如,低功耗单片机可能需要快速唤醒和安全功能。Mendicino认为,“MRAM可以取代传统的嵌入式Flash,也可以替代一些SRAM。”

 

对于高速缓存,SRAM占据了半导体芯片很大一部分。嵌入式MRAM还可以承担一些基于SRAM的缓存功能,从而节省空间和成本。MRAM本身可以在这些设备上节省电能。“但如果人们把一个性能出色的MRAM放到一个平庸的平台上,那是难以实现的。”Mendicino如是说道。

 

然而,嵌入式MRAM仍然存在一些挑战,即是在设计中的集成技术能力。成本也是另一个重要因素。“客户希望新兴的嵌入式非易失性存储器与eFlash一样具有成本效益。这一预期给整个行业带来挑战,但这将是很难实现的,但解决方案应该能够以现在的成本点来维持当前的价格竞争力。”UMC的Uriu说。

 

与此同时,ReRAM也取得进展,但尚未达到3D XPoint和MRAM的水平。一般来说,ream有两种类型——氧空位ream和CBRAM。

 

在这两种情况下,开关介质位于顶部和底部电极之间。当正电压作用于电极上时,在两个电极之间形成导电丝。灯丝由离子原子组成。当在底部电极上施加负压时,导电丝就断裂了。

 

手机内存

 

ReRAM涉及一个复杂的过程。MRAM和ReRAM都有类似的读取和数据保留规格。但与ReRAM相比,MRAM具有更高的温度规格,这令MRAM在汽车等应用领域更具优势。UMC的Uriu表示:“简单来说,MRAM可以更多地运用于汽车,但ReRAM目前只适用于消费级应用。”

 

到目前为止,Adesto和Panasonic是唯一推出独立运行的ReRAM的两家公司。Crossbar也在开发独立设备,不过这家公司专注于IP授权模式。嵌入式方面,Crossbar与Microsemi公司合作。Microsemi正在努力将嵌入式ReRAM集成到高级SoC或FPGA中,制程是在14nm或12nm之间。

 

除此之外,其他公司也在开发ReRAM项目。嵌入式ReRAM主要应用于AI/机器学习、计算、家庭自动化、工业和安全。

 

从3D XPoint一些介绍,我们可以管中窥豹,时见一斑,存储器领域,在前人不懈的努力下,很多高新产品出现在我们眼前的时间会缩短很多,作为电子爱好者,可能我们关心更多的是——什么时候手机内存可以有1个T?

 

 

 

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