晶圆代工开始关注新型存储

NOR Flash 内存的发展已达到了极限，因为它无法相容在 28nm 以下的制程技术，这让用新兴的存储器作为替代成为低风险的方式，低功耗应用也很适用于新世代存储器。但更高密度对大多数新兴存储器来说仍然是一个挑战。

新世代存储器正进入一个新的阶段，就像前几年的相变存储器（PCM)。就在分析师 Thomas Coughlin 与 Jim Handy 汇整年度报告时，英特尔（Intel）宣布以 PCM 3D XPoint 技术的 Optane 即将落幕，这表示「新世代存储器进入下一阶段」进行最后的调整。

新世代存储器的下一阶段主要的芯片代工厂——三星（Samsung)、台积电（TSMC）与 GlobalFoundries——生产电阻式随机存取存储器（ReRAM）或磁阻式随机存取存储器（MRAM)。

Handy 说：「这就是我们所期待大多商业模式的来源，」他另外提到，嵌入式新世代存储器的成长将源于 ReRAM 与 MRAM 放置在微控制器（MCU)、ASIC 甚至现场可编程逻辑闸阵列（FPGA）等元件中。「而且它主要作为 NOR 快闪存储器的可替代式元件。」

NOR 快闪存储器已达到了极限，因为它无法相容在 28nm 以下的制程技术，这让用新兴的存储器作为替代成为低风险的方式，低功耗应用也很适用于新世代存储器。

铁电随机存取存储器（FRAM）是新世代存储器很好的例子，它填补了低密度的利基需求——其辐射耐受性是英飞凌科技（Infineon Technologies）将其应用于太空的原因。在今年年初时，英飞凌宣布其 2MB 的序列周边介面 FRAM，该公司声称这是太空产业中的第一个辐射硬化（rad-hard) FRAM。除了辐射耐受性，FRAM 在运作过程中的低能耗使其成为太空的首选，因为电力宝贵，而且与非挥发性 E2PROM 与串列 NOR 快闪装置相比，还具有更出色的写入能力。

FRAM 在汽车、外太空领域具备可靠性

最近，英飞凌推出了 8Mb 与 16Mb 的 Excelon F-RAM 存储器，旨在满足下一代汽车与工业系统的非挥发性资料记录需求。这些系统与外太空一样，工作环境恶劣，需要额外的保护来协助防止资料遗失。英飞凌汽车部门 RAM 产线负责人 Ramesh Chettuvetty 在接受《EE Times》采访时表示，这些最新的 FRAM 提供业内最高的密度，能符合自动化，并提高与感测器连接，快速成长所带来的资料记录的要求需求。

英飞凌在 FRAM 方面的投资可以回溯到很久之前，部分原因是收购了 Cypress Technologies。Chettuvetty 提到，除了低电力与耐辐射之外，新世代存储器的吸引力在于其资料传输时的可靠性，使其成为汽车等业界执行重要任务资料记录的首选，因为在上述业界中，对资料记录的要求非常严格。FRAM 是目前 NOR 快闪存储器的理想替代品，NOR 快闪存储器损耗很快，不过在对资料记录的要求并非重要任务的地方，快闪存储器仍然是首选，因为价格便宜。

无论可靠性要求如何，低密度 FRAM 仍有市场的需求，即使记录产生的资料量增加。如果空间是最后的战场，那么高密度就是 FRAM 的下一个战场。

Chettuvetty 说：「现有技术在密度上存在一定的限制。」他无法详细说明，但英飞凌正在探讨如何透过研究不同的材料将 FRAM 的密度提高到 16Mb 以上。

FRAM 因其非挥发性和低功耗而存在了将近 40 年，这得益于，与其他存储器相比，FRAM 具备较低的开关能源。正如 Coughlin/Handy 报告所提出，这种新兴的存储器似乎比所有其他新兴的存储器类型总和的销售量还多。FRAM 的应用包含富士通（Fujitsu）生产地铁卡的 RFID 芯片，每笔交易都是由无线电讯号所产生的电能来驱动。

FRAM 面临的挑战是，由于铅（lead）与铋（bismuth）的材料问题，很难与标准 CMOS 制程结合，因此它在较小的制程中不能量产——能够与现有的 CMOS 制程结合并采用 3D 技术是量产的重要因素。今天，三种类型的 FRAM 单元的开发工作仍在继续：基于电容式 FRAM、铁电场效晶体管（FeFET）与氧化铪锆铁电穿隧接面（ferroelectric tunnel junction)。报告指出，在过去十年中，新的无铅与无铋材料对 FRAM 燃起新的希望，其中包括氧化铪（hafnium oxide)。

德国 Dresden 铁电存储器（FMC）在 NAMLABS 于 2011 年发表氧化铪研究基础上，克服 FRAM 的限制。氧化铪可作为所有高介电常数金属闸极（HKMG）制程节点的闸极绝缘体，从而采用标准式 HKMG 晶体管，并将其闸极绝缘体修改为铁电，以创造一个非挥发性的 HKMG 晶体管——FeFET。

FRAM 和 ReRAM 都有相似的成功和挑战。两者都具有耐辐射性，并且在较小的密度下取得了一些成功，但 ReRAM 也在努力扩大密度，并实现离散存储器商业化。Weebit Nano 可以说是最活跃和最引人注目的 ReRAM 公司，该公司的大部分重点一直是为其离散式氧化硅 ReRAM 开发必要的选择器技术。

ReRAM 透过选择器的进步来打破障碍

这家以色列公司完成对其研发伙伴 CEA-Leti 所制造的 ReRAM 模组全面的技术鉴定，CEA-Leti 在 Weebit 的进展中发挥了重要作用。Weebit 行销副总裁 Eran Briman 提到，该鉴定是根据 JEDEC 非挥发性存储器（NVM）的业界标准来进行，证实 Weebit 的嵌入式技术适合批量生产。其 ReRAM 展示芯片包括完整的嵌入式应用子系统，包括 Weebit ReRAM 模组、RISC-V MCU、系统界面、存储器与周边设备。

今年年初，Weebit Nano 展示了其如何将最初的 ReRAM 模组结合到一个完整的子系统中，包括一个 RISC-V MCU、系统界面、静态随机存取存储器（SDRM）与周边。来源：Weebit Nano

同时，Weebit 的嵌入式 ReRAM 模组已经从 SkyWater 的美国生产厂交付给 Weebit——这是第一次从生产厂收到 Weebit ReRAM 的硅晶圆——并证明其 ReRAM 可以用标准工具与成熟的制程生产，使其更容易被客户的系统单芯片（SoC）设计所采用。

Briman 在接受《EE Times》采访时说到，Skywater 的交付是一个重要的里程碑。该公司与 CEA-Leti 一起，最近展示了其 ReRAM 选择器如何使用标准材料与工具实现离散芯片所需的高密度，同时也能够嵌入应用，为未来 SoC 提供更高的 NVM 密度。他说，这意味着该选择器可以在台积电等晶圆代工厂结合到嵌入式装置中。「这相当有意义，因为这意味着我们可以缩小这些存储器阵列尺寸。」

精心设计一个选择器是很重要的，因为它可以确保只有应该被存取的特定单元实际被存取，而所有其他单元都被断开，不会受到影响。嵌入式 ReRAM 设计传统上使用晶体管作为选择器元件，但它们增加了一个储存位元的单元面积，不能支持离散芯片所需的高密度。进一步发展 ReRAM 的其他方法包括 3D 堆叠式 ReRAM 交叉点结构与技术，可以提高每个芯片的位元容量，以及最大限度地降低成本。

Weebit 两年前开始加大离散 ReRAM 的开发力道，当时的驱动力是潜在客户的迫切需求，以及离散 ReRAM 在遇到量产挑战时，成为 NOR 快闪存储器替代品的现实机会。正如 Weebit 执行长 Coby Hanoch 之前告诉《EE Times》的那样，当时的计划是，嵌入式 ReRAM 的收入将为离散方面的进展提供资金，包括选择器，而对神经形态运算应用的资源投入时机是一个长期的机会。

Briman 说，与英飞凌的 FRAM 一样，Weebit 的 ReRAM 是工业级的，这使得它对包括汽车与航空航天在内的恶劣环境非常有用，特别是在快闪存储器无法处理辐射的地方。「我们的产品面对辐射非常强健，在高温状态也非常稳健。」

他说，Yole Group 发表的其他研究报告预测，嵌入式 ReRAM 市场将在 5 年内达到 10 亿美元大关，而且晶圆代工厂、晶圆厂与整合元件制造商（IDM）也有很大的兴趣。

Briman 说，ReRAM 的主要挑战是继续缩小到更低的制程节点。Weebit 很快就会推出 22 纳米与 8Mb 元组的存储器模组，「而且我们已经在研究更先进的制程节点」。但他指出，每个节点都有自己的资格要求，以确保可靠性与耐用性，同时在缩小规模时保持存储器单元的电流与电压，所以前面有许多技术挑战。「从嵌入式市场开始，它的存储器阵列较小，是进入这个市场的一个更好的入口。嵌入式领域有足够大的市场机会。」

根据 Coughlin/Handy 的报告，除了 Weebit 之外，目前还有一些 ReRAM 元件可用于特殊应用。CrossBar 已经对一个 40 纳米的 ReRAM 进行了采样，由其代工伙伴中芯国际制造，Microsemi（已被 Microchip 收购）与 Microchip 授权其技术。该公司最近一直专注于将其技术应用于硬件安全应用，其形式是基于 ReRAM 的加密物理不可仿制（unclonable）功能密钥，可在安全运算应用中生成。这些密钥并不是新技术，但由于网络银行与物联网（IoT）的出现而得到更多关注，这为银行卡或支付终端等专用电子设备的安全之外创造了机会。

Coughlin/Handy 报告指出的 ReRAM 的其他应用包括人工智能。与 PCM 一起，它通常被称为神经网络的架构中储存线性加权配置，这是一种非常简化地推理引擎，可以在非常短的时间内以低精准度执行大量的数学运算。

MRAM 实现了更高的密度

与 FRAM 与 ReRAM 不同，MRAM 作为离散与嵌入式存储器在量产与提供显著密度方面取得了更多进展，它有多种形式，其中有两种更常见的存储器产品：Toggle 模式与自旋转移矩（spin transfer torque，STT)。切换式 MRAM 正在成为替代 SRAM 的持久性存储器标准，并被用于运输、航空航天、企业、医疗、物联网与工业应用。

随着 STT MRAM 密度的扩大，它正逐渐走向成为资料中心应用的通用存储器，因为与 Toggle 相比，它可以达到更高的密度、更低的功耗，并降低成本。Everspin Technologies 拥有离散与嵌入式存储器件的产品线，最近，该公司推出了 EMxxLX STT-MRAM 元件，该元件设计用于资料持久性与完整性、低电力、低延迟与安全性至关重要的电子系统，如工业物联网（IIoT)、网络/企业基础设施、过程自动化与控制、航空航天、医疗、游戏与 FPGA 配置。

Everspin Technologies 总裁暨执行长 Sanjeev Aggarwal 在接受《EE Times》采访时提到，其最新的 MRAM 可以在高密度下取代 NOR 快闪存储器。对于 Everspin 来说，将离散的 MRAM 产品推向市场要比嵌入式产品更快，对于后者，它正与 GlobalFoundries 等代工伙伴进行大量合作。虽然 Toggle 和 STT MRAM 在温度范围、速度和资料保留方面都非常适合工业应用，但「STT MRAM 允许我们将 MRAM 从低密度扩展到高密度，」Aggarwal 提到。当其进入更小的节点时，所需要更的电流会更少。

Aggarwal 说，Everspin 已经为资料中心应用提供了近五年的 DDR 界面 MRAM，并不断扩大其 SRAM 替代产品的市场比重。MRAM 替代的另一个候选者是 NOR 快闪存储器，与其他新世代存储器相比，它的优势之一是不需要做任何擦除。Aggarwal 说：「对于电阻式存储器，需要有一个擦除命令，这会导致更长的延迟与更高的功率。」他并补充，另一个市场机会是在 FPGA 内，它也采用 NOR 快闪存储器。

尽管 MRAM 有这么多机会，Aggarwal 并不幻想它能完全取代 DRAM，包括低电力 DRAM 或 NAND 快闪存储器。「我不认为从成本角度来看，我们将永远没有竞争力，但我们能做的是作为相邻的存储器。且作为相邻的存储器，STT MRAM 仍有相当大的优势。」

Aggarwal 表示，邻接可以透过 Compute Express Link (CXL）界面来完成，该界面旨在最佳化存储器资源的使用，以便将正确的存储器用于正确的工作负载，同时尽量减少资料必须传输的距离。「CXL 所做的是允许你在设备侧处理具有不同延迟的存储器。在这个意义上，CXL 是 MRAM 可以使用的界面。」

Coughlin/Handy 报告指出，MRAM 的重要优势在于它需要更少的遮罩，从而降低了生产的复杂性。由于 PCM 尚未成为一种可行的代工技术，而 ReRAM 在很大程度上仍处于研究与开发阶段，嵌入式 MRAM 看起来是嵌入式 NOR 快闪存储器的资料。它还能耐受辐射，使它对空间硬化的应用非常有用。Everspin 最近与 QuickLogic 签订了一份合约，提供 MRAM 技术、设计与后段制造服务。他们将共同开发与演示战略防辐射、高可靠性的 FPGA 技术，以支援已确定与未来的美国国防部（DoD）策略与空间系统要求。

报告指出，除了 Everspin，其他著名的 MRAM 开发商包括 Avalanche Technology，该公司几年来一直在研究自家版本的垂直 STT MRAM，并主要关注军用级产品，而三星为其嵌入式产品制定了广泛的 MRAM 开发计划。2022 年初，该公司展示了一种处理储存资料并用于人脸检测的存储器运算 MRAM 芯片；三星的芯片将运算元素添加到 64 × 64 单元的 MRAM 元件横条阵列中，以加快人工智慧任务。

近年来另一个备受瞩目的新兴存储器是 PCM，但其在市场上的成长完全依赖美光（Micron）和 Intel 联合开发的 3D XPoint 技术。随着美光在 2021 年 3 月退出该市场，几乎没有什么产品开发，而 Intel 在经过认真的开发投资和行销后，在 2022 年夏天停掉了其 Optane 固态硬碟（SSD）和 DIMM，由于 Optane 并未成功，所以他怀疑是否有人会再追捧它，但如果 Intel 出售专利或工程师接手经营一家可以为其他应用做 PCM 的独立公司，他也不会感到惊讶。

整体而言，Handy 指出有一些利基市场需要新兴存储器的特定性能，如耐辐射性。「现在人们真正重视新兴存储器技术的地方是对电源敏感的应用，所以这将是该技术获得立足点的一个较佳领域。」但他说，最终，新兴的存储器仍然面临着一个长期以来的「鸡和蛋」挑战，即使它们有可能解决更高密度的问题。

「如果采用更严格的制程，可以达到更高的密度，但采用更严格的制程需要成本。」Handy 总结。