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一文讀懂|三大新興存儲技術:MRAM、RRAM和PCRAM

作者:陳玲麗時間:2021-04-26來源:電子產品世界收藏

物聯網(IoT)、人工智慧(AI)、5G、工業4.0等應用推升資訊量呈現爆炸性的成長,所有資料都必須在邊緣搜集,并且從邊緣到云端的多個層級進行處理和傳輸、儲存和分析。

本文引用地址:http://www.5nmn.com/article/202104/424890.htm

在如此龐大的資料儲存、傳輸需求下,在DRAM、SRAM以及NAND Flash等傳統記憶體已逐漸無法負荷,且再加上傳統記憶體的制程微縮愈加困難的情況之下,驅使半導體產業轉向發展更高儲存效能、更低成本同時又可以朝制程微縮邁進的新興記憶體。

其中有3種存儲器表現突出 ——

存儲器,作為半導體元器件中重要的組成部分,在半導體產品中比重所占高達20%,是一個重要的半導體產品類型。目前存儲器行業的主要矛盾是日益增長的終端產品性能需求和尚未出現重大突破的技術之間的矛盾,具體一點來說,是內存和外存之間巨大的性能差異造成了電子產品性能提升的主要瓶頸。

同時,我們不希望讓摩爾定律增速放緩限制人工智能時代的計算增長,我們是否為半導體設計和制造提供了一個新的劇本。這一戰略思想支撐著今天針對物聯網和云計算推出的新一代高容量記憶體制造系統。

(Magnetic RAM)

(磁性隨機存儲器)它靠磁場極化而非電荷來存儲數據,存儲單元由自由磁層、隧道柵層、固定磁層組成。自由磁層的磁場極化方向可以改變,固定層的磁場方向不變,當自由層與固定層的磁場方向平行時,存儲單元呈現低電阻;反之呈高電阻,通過檢測存儲單元電阻的高低,即可判斷所存數據是0還是1。

MRAM當中包括很多方向的研究,如微波驅動、熱驅動等等,傳統的MRAM和STT-MRAM是其中最重要的兩大類,它們都是基于磁性隧道結結構,只是驅動自由層翻轉的方式不同,前者采用磁場驅動,后者采用自旋極化電流驅動。

對于傳統的MRAM,由于在半導體器件中本身無法引入磁場,需要引入大電流來產生磁場,因而需要在結構中增加旁路。因此,這種結構功耗較大,而且也很難進行高密度集成(通常只有20-30F2)。若采用極化電流驅動,即STT-MRAM,則不需要增加旁路,因此功耗可以降低,集成度也可以大幅提高。

MRAM的研發難度很大,其中涉及非常多的物理。磁性隧道結看似簡單實則相當復雜。在這個結構中,很多材料都是在幾個納米,特別是對于MgO隧道層,要求只有1.3nm,并且是要完美的單晶。

MRAM特點

· 非易失:鐵磁體的磁性不會由于斷電而消失,故MRAM具備非易失性。

· 讀寫次數無限:鐵磁體的磁性不僅斷電不會消失,而是幾乎可以認為永不消失,故MRAM和DRAM一樣可以無限次重寫。

· 寫入速度快、功耗低:MRAM的寫入時間可低至2.3ns,并且功耗極低,可實現瞬間開關機并能延長便攜機的電池使用時間。

· 和邏輯芯片整合度高:MRAM的單元可以方便地嵌入到邏輯電路芯片中,只需在后端的金屬化過程增加一兩步需要光刻掩模版的工藝即可。再加上MRAM單元可以完全制作在芯片的金屬層中,甚至可以實現2~3層單元疊放,故具備在邏輯電路上構造大規模內存陣列的潛力。

但是MRAM最大的缺點是存儲單元之間存在干擾,當對目標位進行編程時,非目標位中的自由層很容易被誤編程,尤其是在高密度情況下,相鄰單元間的磁場的交疊會愈加嚴重。

(Phase Change RAM)

另一類新型存儲器是(相變隨機存儲器),它也是一種三明治的結構,中間是相變層(和光盤材料一樣,GST),這種材料的一個特性是會在晶化(低阻態)和非晶化(高阻態)之間轉變,利用材料晶態和非晶態之間轉化后導電性的差異來存儲信息,過程主要可以分為SET和RESET兩步。

注:相變材料在晶態和非晶態的時候電阻率差距相差幾個數量級,使得其具有較高的噪聲容限,足以區分“ 0”態和“ 1”態。目前各機構用的比較多的相變材料是硫屬化物(英特爾為代表)和含鍺、銻、碲的合成材料(GST),如Ge2Sb2Te5(意法半導體為代表)。

· 當材料處于非晶態時,升高溫度至高于再結晶溫度但低于熔點溫度,然后緩慢冷卻(這一過程是制約PCM速度的關鍵因素),材料會轉變為晶態(這一步驟被稱為SET),此時材料具有長距離的原子能級和較高的自由電子密度,故電阻率較低。

· 當材料處于晶態時,升高溫度至略高于熔點溫度,然后進行淬火迅速冷卻,材料就會轉變為非晶態(這一步驟被稱為RESET),此時材料具有短距離的原子能級和較低的自由電子密度,故電阻率很高。

PCRAM特點

· 低延時、讀寫時間均衡:與NANDflash相比,PCM在寫入更新代碼之前不需要擦除以前的代碼或數據,故其速度比NAND有優勢,讀寫時間較為均衡。

· 壽命長:PCM讀寫是非破壞性的,故其耐寫能力遠超過閃存,用PCM來取代傳統機械硬盤的可靠性更高。

· 功耗低:PCM 沒有機械轉動裝置,保存代碼或數據也不需要刷新電流,故PCM的功耗比HDD,NAND,DRAM都低。

· 密度高:部分PCM采用非晶體管設計,可實現高密度存儲。

· 抗輻照特性好:PCM與材料帶電粒子狀態無關,故其具有很強的抗空間輻射能力,能滿足國防和航天的需求。

但是目前PCM存在的問題有:在當一個器件單元中的相變材料處在高溫熔化狀態時,熱擴散可能會使相鄰的器件單元也發生相變,從而導致存儲信息的錯誤;目前二極管作為選通管是高密度PCM的一個主要選擇,但其制備工藝會導致同一字線上相鄰二極管之間會形成寄生三極管,而寄生三極管的串擾電流又會影響數據穩定性;材料發生非晶態和晶態之間的轉變時,其體積會發生變化,進而可能導致相變材料和與其接觸的電極材料發生剝離,器件失效。

PRAM目前發展到了另外一個領域:Intel和美光2015年聯合推出了3D Xpoint技術。3D Xpoint技術的存儲單元的確是PRAM,但它找到了一種合適的選擇管,即1R1D的結構而不是1R1T結構,這和三星的方向完全不同。

3D Xpoint技術在非易失存儲器領域實現了革命性突破,雖然其速度略微比DRAM慢,但其容量卻比DRAM高,比閃存快1000倍。但也有明顯缺點:3D Xpoint采用堆迭結構,目前一般是兩層結構。堆迭層數越多,需要的掩模板個數就越多,而在整個IC制造工業中,掩模板占到了成本的最大份額。因此,從制造的角度來說,要想實現幾十層的3D堆迭結構非常困難。

(Resistive RAM)

相比MRAM和PRAM,研究要稍晚。雖然這個現象早在1962年就被報道了,但沒有引起學術界和工業界的關注。直到2000年,美國休斯敦大學在APL上發表了一篇關于“在龐磁阻氧化物薄膜器件中發現電脈沖觸發可逆電阻轉變效應”的文章后,夏普公司買了該專利,才對RRAM開始了業界的開發,自此以后才引起學術界和業界的研究。主流存儲器廠商也紛紛投入力量,開始對RRAM的研究。RRAM也已經由實驗室階段進入到企業的研發階段。

典型的RRAM(阻變式存儲器)由兩個金屬電極夾一個薄介電層組成,介電層作為離子傳輸和存儲介質。RRAM看上去和PRAM相類似,只是中間的轉變層的原理不同。相變是材料在晶態和非晶態之間轉變,而阻變是通過在材料中形成和斷開細絲(filament,即導電通路)來探測結構的高低阻態。

選用材料的不同會對實際作用機制帶來較大差別,但本質都是經由外部刺激(如電壓)引起存儲介質離子運動和局部結構變化,進而造成電阻變化,并利用這種電阻差異來存儲數據。目前最被接受的RRAM機理是導電細絲理論,基于細絲導電的器件將不依賴于器件的面積,故其微縮潛力很大。RRAM所選用的材料多為金屬氧化物,此外硫化物及有機介質材料也受到了一定的關注。

RRAM特點

· 高速度:RRAM擦寫速度由觸發電阻轉變的脈沖寬度決定,一般小于100ns。

· 耐久性:RRAM讀寫和NAND不同,采用的是可逆無損害模式,從而可以大大提高其使用壽命。

· 具備多位存儲能力:部分RRAM材料還具備多種電阻狀態,使得當個存儲單元存儲多位數據成為可能,從而提高存儲密度。

RRAM的存儲器矩陣可以分為無源矩陣和有源矩陣兩種,無源矩陣的存儲單元由一個阻變元件以及一個非線性元件(一般使用二極管)相連,后者的作用是使阻變元件得到合適的分壓,從而避免阻變元件處于低阻態時,存儲單元讀寫信息丟失。這種方法的優點是設計比較簡單,工藝微縮性好,但采用無源矩陣會使相鄰單元間不可避免地存在干擾。有源單元則由晶體管來控制阻變元件的讀寫與擦除,雖可良好隔離相鄰單元的干擾,但其設計更復雜,且器件可微縮性較差。

從容量上看,這三類新型存儲器,MRAM最高達4Gb,PRAM最高達8Gb,RRAM最高達32Gb。它們和閃存相比,容量差別還很大,但是不要忘記,這三者的讀寫速度都比閃存要快1000倍以上。

結語

新興內存技術已經出現幾十年,如今發展到一個在更多應用中表現更重要的關鍵期,預計在2029年,這些新興內存市場可望創造200億美元的合并收入。另一方面,由于未來的制程微縮和規模經濟提升將促使價格降低,并開始將新興內存作為獨立芯片以及嵌入于ASIC、微控制器(MCU)以及甚至運算處理器中,從而使其變得比現有的內存技術更具競爭力。

新興的內存涵蓋廣泛的技術,值得觀察的重點在于MRAM、PCRAM和RRAM。然而現在說誰將勝出還為時過早,盡管新興內存技術的未來前景光明,但他們仍然很難打入一些根深蒂固的技術市場。即使經濟效益有所提升,新興內存也很難顛覆現有市場的主導地位。如果無法在成本方面勝出,那么無論誰比這些根深蒂固的技術擁有再多的技術優勢,也并不代表什么。

總而言之,AI、5G、IoT和工業4.0等發展讓資訊量呈現爆炸式的成長,全新的運算需求驅動記憶體朝更高容量、高讀寫次數、更快讀寫速度、更低功耗發展;而新興記憶體除滿足上述需求外,和傳統記憶體相比,還可實現制程微縮化,半導體產業遂積極投入新興記憶體發展,期能在未來取代DRAM、Flash和SRAM三大主流記憶體產品。



關鍵詞: 存儲技術 MRAM RRAM PCRAM

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