晶圓代工開始關(guān)注新型存儲(chǔ)

NOR Flash 內(nèi)存的發(fā)展已達(dá)到了極限，因?yàn)樗鼰o法相容在 28nm 以下的制程技術(shù)，這讓用新興的存儲(chǔ)器作為替代成為低風(fēng)險(xiǎn)的方式，低功耗應(yīng)用也很適用于新世代存儲(chǔ)器。但更高密度對(duì)大多數(shù)新興存儲(chǔ)器來說仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

新世代存儲(chǔ)器正進(jìn)入一個(gè)新的階段，就像前幾年的相變存儲(chǔ)器（PCM)。就在分析師 Thomas Coughlin 與 Jim Handy 匯整年度報(bào)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(chǔ)器進(jìn)入下一階段」進(jìn)行最后的調(diào)整。

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

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

NOR 快閃存儲(chǔ)器已達(dá)到了極限，因?yàn)樗鼰o法相容在 28nm 以下的制程技術(shù)，這讓用新興的存儲(chǔ)器作為替代成為低風(fēng)險(xiǎn)的方式，低功耗應(yīng)用也很適用于新世代存儲(chǔ)器。

鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（FRAM）是新世代存儲(chǔ)器很好的例子，它填補(bǔ)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(yīng)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，F(xiàn)RAM 在運(yùn)作過程中的低能耗使其成為太空的首選，因?yàn)殡娏氋F，而且與非揮發(fā)性 E2PROM 與串列 NOR 快閃裝置相比，還具有更出色的寫入能力。

FRAM 在汽車、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(chǔ)器，旨在滿足下一代汽車與工業(yè)系統(tǒng)的非揮發(fā)性資料記錄需求。這些系統(tǒng)與外太空一樣，工作環(huán)境惡劣，需要額外的保護(hù)來協(xié)助防止資料遺失。英飛凌汽車部門 RAM 產(chǎn)線負(fù)責(zé)人 Ramesh Chettuvetty 在接受《EE Times》采訪時(shí)表示，這些最新的 FRAM 提供業(yè)內(nèi)最高的密度，能符合自動(dòng)化，并提高與感測(cè)器連接，快速成長(zhǎng)所帶來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(gòu)了 Cypress Technologies。Chettuvetty 提到，除了低電力與耐輻射之外，新世代存儲(chǔ)器的吸引力在于其資料傳輸時(shí)的可靠性，使其成為汽車等業(yè)界執(zhí)行重要任務(wù)資料記錄的首選，因?yàn)樵谏鲜鰳I(yè)界中，對(duì)資料記錄的要求非常嚴(yán)格。FRAM 是目前 NOR 快閃存儲(chǔ)器的理想替代品，NOR 快閃存儲(chǔ)器損耗很快，不過在對(duì)資料記錄的要求并非重要任務(wù)的地方，快閃存儲(chǔ)器仍然是首選，因?yàn)閮r(jià)格便宜。

無論可靠性要求如何，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(zhàn)場(chǎng)，那么高密度就是 FRAM 的下一個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)。

Chettuvetty 說：「現(xiàn)有技術(shù)在密度上存在一定的限制?！顾麩o法詳細(xì)說明，但英飛凌正在探討如何透過研究不同的材料將 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(chǔ)器相比，F(xiàn)RAM 具備較低的開關(guān)能源。正如 Coughlin/Handy 報(bào)告所提出，這種新興的存儲(chǔ)器似乎比所有其他新興的存儲(chǔ)器類型總和的銷售量還多。FRAM 的應(yīng)用包含富士通（Fujitsu）生產(chǎn)地鐵卡的 RFID 芯片，每筆交易都是由無線電訊號(hào)所產(chǎn)生的電能來驅(qū)動(dòng)。

FRAM 面臨的挑戰(zhàn)是，由于鉛（lead）與鉍（bismuth）的材料問題，很難與標(biāo)準(zhǔn) CMOS 制程結(jié)合，因此它在較小的制程中不能量產(chǎn)——能夠與現(xiàn)有的 CMOS 制程結(jié)合并采用 3D 技術(shù)是量產(chǎn)的重要因素。今天，三種類型的 FRAM 單元的開發(fā)工作仍在繼續(xù)：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(bào)告指出，在過去十年中，新的無鉛與無鉍材料對(duì) FRAM 燃起新的希望，其中包括氧化鉿（hafnium oxide)。

德國(guó) Dresden 鐵電存儲(chǔ)器（FMC）在 NAMLABS 于 2011 年發(fā)表氧化鉿研究基礎(chǔ)上，克服 FRAM 的限制。氧化鉿可作為所有高介電常數(shù)金屬閘極（HKMG）制程節(jié)點(diǎn)的閘極絕緣體，從而采用標(biāo)準(zhǔn)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(zhàn)。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(kuò)大密度，并實(shí)現(xiàn)離散存儲(chǔ)器商業(yè)化。Weebit Nano 可以說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 開發(fā)必要的選擇器技術(shù)。

ReRAM 透過選擇器的進(jìn)步來打破障礙

這家以色列公司完成對(duì)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 行銷副總裁 Eran Briman 提到，該鑒定是根據(jù) JEDEC 非揮發(fā)性存儲(chǔ)器（NVM）的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)來進(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(yīng)用子系統(tǒng)，包括 Weebit ReRAM 模組、RISC-V MCU、系統(tǒng)界面、存儲(chǔ)器與周邊設(shè)備。

今年年初，Weebit Nano 展示了其如何將最初的 ReRAM 模組結(jié)合到一個(gè)完整的子系統(tǒng)中，包括一個(gè) RISC-V MCU、系統(tǒng)界面、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SDRM）與周邊。來源：Weebit Nano

同時(shí)，Weebit 的嵌入式 ReRAM 模組已經(jīng)從 SkyWater 的美國(guó)生產(chǎn)廠交付給 Weebit——這是第一次從生產(chǎn)廠收到 Weebit ReRAM 的硅晶圓——并證明其 ReRAM 可以用標(biāo)準(zhǔn)工具與成熟的制程生產(chǎn)，使其更容易被客戶的系統(tǒng)單芯片（SoC）設(shè)計(jì)所采用。

Briman 在接受《EE Times》采訪時(shí)說到，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(biāo)準(zhǔn)材料與工具實(shí)現(xiàn)離散芯片所需的高密度，同時(shí)也能夠嵌入應(yīng)用，為未來 SoC 提供更高的 NVM 密度。他說，這意味著該選擇器可以在臺(tái)積電等晶圓代工廠結(jié)合到嵌入式裝置中?！高@相當(dāng)有意義，因?yàn)檫@意味著我們可以縮小這些存儲(chǔ)器陣列尺寸。」

精心設(shè)計(jì)一個(gè)選擇器是很重要的，因?yàn)樗梢源_保只有應(yīng)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，不會(huì)受到影響。嵌入式 ReRAM 設(shè)計(jì)傳統(tǒng)上使用晶體管作為選擇器元件，但它們?cè)黾恿艘粋€(gè)儲(chǔ)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(jié)構(gòu)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 兩年前開始加大離散 ReRAM 的開發(fā)力道，當(dāng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力是潛在客戶的迫切需求，以及離散 ReRAM 在遇到量產(chǎn)挑戰(zhàn)時(shí)，成為 NOR 快閃存儲(chǔ)器替代品的現(xiàn)實(shí)機(jī)會(huì)。正如 Weebit 執(zhí)行長(zhǎng) Coby Hanoch 之前告訴《EE Times》的那樣，當(dāng)時(shí)的計(jì)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(duì)神經(jīng)形態(tài)運(yùn)算應(yīng)用的資源投入時(shí)機(jī)是一個(gè)長(zhǎng)期的機(jī)會(huì)。

Briman 說，與英飛凌的 FRAM 一樣，Weebit 的 ReRAM 是工業(yè)級(jí)的，這使得它對(duì)包括汽車與航空航天在內(nèi)的惡劣環(huán)境非常有用，特別是在快閃存儲(chǔ)器無法處理輻射的地方。「我們的產(chǎn)品面對(duì)輻射非常強(qiáng)健，在高溫狀態(tài)也非常穩(wěn)健。」

他說，Yole Group 發(fā)表的其他研究報(bào)告預(yù)測(cè)，嵌入式 ReRAM 市場(chǎng)將在 5 年內(nèi)達(dá)到 10 億美元大關(guān)，而且晶圓代工廠、晶圓廠與整合元件制造商（IDM）也有很大的興趣。

Briman 說，ReRAM 的主要挑戰(zhàn)是繼續(xù)縮小到更低的制程節(jié)點(diǎn)。Weebit 很快就會(huì)推出 22 納米與 8Mb 元組的存儲(chǔ)器模組，「而且我們已經(jīng)在研究更先進(jìn)的制程節(jié)點(diǎn)」。但他指出，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己的資格要求，以確保可靠性與耐用性，同時(shí)在縮小規(guī)模時(shí)保持存儲(chǔ)器單元的電流與電壓，所以前面有許多技術(shù)挑戰(zhàn)?！笍那度胧绞袌?chǎng)開始，它的存儲(chǔ)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(jī)會(huì)?！?/span>

根據(jù) Coughlin/Handy 的報(bào)告，除了 Weebit 之外，目前還有一些 ReRAM 元件可用于特殊應(yīng)用。CrossBar 已經(jīng)對(duì)一個(gè) 40 納米的 ReRAM 進(jìn)行了采樣，由其代工伙伴中芯國(guó)際制造，Microsemi（已被 Microchip 收購(gòu)）與 Microchip 授權(quán)其技術(shù)。該公司最近一直專注于將其技術(shù)應(yīng)用于硬件安全應(yīng)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(yùn)算應(yīng)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(xiàn)而得到更多關(guān)注，這為銀行卡或支付終端等專用電子設(shè)備的安全之外創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。

Coughlin/Handy 報(bào)告指出的 ReRAM 的其他應(yīng)用包括人工智能。與 PCM 一起，它通常被稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)中儲(chǔ)存線性加權(quán)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(nèi)以低精準(zhǔn)度執(zhí)行大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算。

MRAM 實(shí)現(xiàn)了更高的密度

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

隨著 STT MRAM 密度的擴(kuò)大，它正逐漸走向成為資料中心應(yīng)用的通用存儲(chǔ)器，因?yàn)榕c Toggle 相比，它可以達(dá)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(chǔ)器件的產(chǎn)品線，最近，該公司推出了 EMxxLX STT-MRAM 元件，該元件設(shè)計(jì)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(tǒng)，如工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT)、網(wǎng)絡(luò)/企業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施、過程自動(dòng)化與控制、航空航天、醫(yī)療、游戲與 FPGA 配置。

Everspin Technologies 總裁暨執(zhí)行長(zhǎng) Sanjeev Aggarwal 在接受《EE Times》采訪時(shí)提到，其最新的 MRAM 可以在高密度下取代 NOR 快閃存儲(chǔ)器。對(duì)于 Everspin 來說，將離散的 MRAM 產(chǎn)品推向市場(chǎng)要比嵌入式產(chǎn)品更快，對(duì)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(yīng)用，但「STT MRAM 允許我們將 MRAM 從低密度擴(kuò)展到高密度，」Aggarwal 提到。當(dāng)其進(jìn)入更小的節(jié)點(diǎn)時(shí)，所需要更的電流會(huì)更少。

Aggarwal 說，Everspin 已經(jīng)為資料中心應(yīng)用提供了近五年的 DDR 界面 MRAM，并不斷擴(kuò)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(chǔ)器，與其他新世代存儲(chǔ)器相比，它的優(yōu)勢(shì)之一是不需要做任何擦除。Aggarwal 說：「對(duì)于電阻式存儲(chǔ)器，需要有一個(gè)擦除命令，這會(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)的延遲與更高的功率?！顾⒀a(bǔ)充，另一個(gè)市場(chǎng)機(jī)會(huì)是在 FPGA 內(nèi)，它也采用 NOR 快閃存儲(chǔ)器。

盡管 MRAM 有這么多機(jī)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(chǔ)器?！肝也徽J(rèn)為從成本角度來看，我們將永遠(yuǎn)沒有競(jìng)爭(zhēng)力，但我們能做的是作為相鄰的存儲(chǔ)器。且作為相鄰的存儲(chǔ)器，STT MRAM 仍有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)?！?/span>

Aggarwal 表示，鄰接可以透過 Compute Express Link (CXL）界面來完成，該界面旨在最佳化存儲(chǔ)器資源的使用，以便將正確的存儲(chǔ)器用于正確的工作負(fù)載，同時(shí)盡量減少資料必須傳輸?shù)木嚯x?！窩XL 所做的是允許你在設(shè)備側(cè)處理具有不同延遲的存儲(chǔ)器。在這個(gè)意義上，CXL 是 MRAM 可以使用的界面。」

Coughlin/Handy 報(bào)告指出，MRAM 的重要優(yōu)勢(shì)在于它需要更少的遮罩，從而降低了生產(chǎn)的復(fù)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發(fā)階段，嵌入式 MRAM 看起來是嵌入式 NOR 快閃存儲(chǔ)器的資料。它還能耐受輻射，使它對(duì)空間硬化的應(yīng)用非常有用。Everspin 最近與 QuickLogic 簽訂了一份合約，提供 MRAM 技術(shù)、設(shè)計(jì)與后段制造服務(wù)。他們將共同開發(fā)與演示戰(zhàn)略防輻射、高可靠性的 FPGA 技術(shù)，以支援已確定與未來的美國(guó)國(guó)防部（DoD）策略與空間系統(tǒng)要求。

報(bào)告指出，除了 Everspin，其他著名的 MRAM 開發(fā)商包括 Avalanche Technology，該公司幾年來一直在研究自家版本的垂直 STT MRAM，并主要關(guān)注軍用級(jí)產(chǎn)品，而三星為其嵌入式產(chǎn)品制定了廣泛的 MRAM 開發(fā)計(jì)劃。2022 年初，該公司展示了一種處理儲(chǔ)存資料并用于人臉檢測(cè)的存儲(chǔ)器運(yùn)算 MRAM 芯片；三星的芯片將運(yùn)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)。

近年來另一個(gè)備受矚目的新興存儲(chǔ)器是 PCM，但其在市場(chǎng)上的成長(zhǎng)完全依賴美光（Micron）和 Intel 聯(lián)合開發(fā)的 3D XPoint 技術(shù)。隨著美光在 2021 年 3 月退出該市場(chǎng)，幾乎沒有什么產(chǎn)品開發(fā)，而 Intel 在經(jīng)過認(rèn)真的開發(fā)投資和行銷后，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 出售專利或工程師接手經(jīng)營(yíng)一家可以為其他應(yīng)用做 PCM 的獨(dú)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(chǔ)器的特定性能，如耐輻射性。「現(xiàn)在人們真正重視新興存儲(chǔ)器技術(shù)的地方是對(duì)電源敏感的應(yīng)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。」但他說，最終，新興的存儲(chǔ)器仍然面臨著一個(gè)長(zhǎng)期以來的「雞和蛋」挑戰(zhàn)，即使它們有可能解決更高密度的問題。

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