下一代存储器竞赛正式开打,你看好谁?

随着许多新技术的涌现,下一代存储器市场正在升温,但将这些产品引入主流市场仍面临着一些挑战。

多年来,业界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,以及ReRAM。有些已经出货,有些尚在研发。每种存储器类型都不同,并且针对特定的应用,但它们都承诺取代当今分级存储器体系中的一种或多种传统存储器。

在分级存储器体系的第一层中,SRAM集成到处理器中以支持快速数据访问。DRAM是体系结构中的下一层,用于主存储器。磁盘驱动器和基于NAND的固态存储驱动器(SSD)用于存储。

图1:分级存储器体系——DRAM / SRAM和flash具有相反的特性,这些特性留下了由存储类存储器填充的空白。 (来源:Lam Research)

今天的存储器类型可以胜任各项工作,但它们正在挣扎地追赶系统中数据和带宽需求的爆炸性增长。例如,DRAM速度快但耗电量大,而NAND和硬盘驱动器很便宜,但速度慢。

这正是下一代存储器的用武之地。新的存储器类型结合了SRAM的速度和flash的非易失性,具有无限的耐用性。这些技术拥有一些令人印象深刻的规格,但它们要么被推迟,要么未能实现承诺,亦或两者兼而有之。

事实上,将许多新的存储器类型投入大规模生产一直是一个难题。这些存储器依赖于奇异的材料和转换机制,使得它们难以在现场制造和工作,而且非常昂贵。

总之,新的存储器仍然是利基产品,但在竞技场上有一些明显的进步。例如,英特尔正在推出名为3D XPoint的下一代内存。随后,GlobalFoundries、三星、台积电和联华电子正在为嵌入式市场开发新的存储器类型。Objective Analysis的分析师Jim Handy表示:“真正重要的是,逻辑晶圆厂正在为嵌入式存储器开发MRAM和电阻式RAM。对于独立的存储器市场而言,成本很高。这使得它只能吸引那些愿意出大价钱的人,因为他们无法在其他地方获得他们想要的东西。”

因此,传统存储器仍然是系统中的主流产品,但新的存储器类型提供了一些选择。为了帮助读者走在时代前列,Semiconductor Engineering对下一代存储器的现状进行了研究。

3D XPoint的崛起

3D XPoint花了很长时间,但几款下一代存储器正在崛起。每一种新的存储器都有一些有趣的特性,声称它们可以胜过传统存储器。

不过,至少目前而言,新存储器不太可能取代DRAM、flash和SRAM。

这一切都归结于性能、密度和成本。例如,给定存储器的单元大小等于特征(F)大小的平方乘以4,那么最小的单元尺寸是 4F2。最新的3D NAND器件每个单元存储4位(QLC),理论上可以转换为1F2的单元大小。

“如果你想取代NAND,就必须比1F2便宜。据我所知,我们在有生之年不会看到这种情况。”Nantero公司碳纳米管RAM资深开发人员和董事会成员Ed Doller表示。

为了取代DRAM,新的存储器类型必须更便宜,而且它周围必须有完整的基础构造,例如DRAM兼容接口和控制器。

因此,如果新的存储器类型无法取代传统技术,那么它们会适用在哪里呢?Lam Research高级技术总监Alex Yoon在一篇博客中表示:“云计算和最新的移动产品等应用正在推动对一种新的存储器类别的需求,它将DRAM的速度与NAND更高的比特密度和更低的成本结合起来。为了达到这些标准,一些新技术正在探索中。一些公司瞄准的是嵌入式应用,如片上系统(SoC),而另一些公司则专注于存储级别的存储器领域。”

目前,新的存储器类型已经在分级存储器体系中开辟出了今天的存储器无法满足的利基。有些甚至会抢走DRAM和flash的少量份额。但目前尚不清楚新的存储器类型是否会成为主流技术。

目前还没有一种新的存储器技术能够满足所有的需求,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。ReRAM供应商Crossbar营销和业务开发副总裁Sylvain Dubois表示:“它们都有自己的位置。在某些情况下,它们是半竞争的,有一些重叠。但很明显,我们都有不同的定位。”

图2:分级存储器体系。(来源:Imec)

不过,有一项技术正在取得进展。市场的巨大变化是最近由英特尔和美光开发的下一代技术3D XPoint的崛起。

当3D XPoint于2015年正式推出时,该技术被吹捧为介于DRAM和NAND之间的存储类存储器,它会比NAND快1000倍,耐用性高1000倍。

但实际上,3D XPoint已被推迟,并且未能达到这些规格。咨询公司MKW Ventures的负责人Mark Webb表示:“我们知道,在现实中,很多事情都被过度炒作了。现实是不同的,但仍然相当惊人。3D XPoint的收入将超过其他所有新的非易失性存储器。”

事实上,在几经推迟之后,英特尔正在升级基于3D XPoint的SSD和其他产品。最终,英特尔将在DIMM中将该技术用于服务器。Webb说:“使用3D XPoint,英特尔会拥有最耐用且最快的SSD。DIMM被推迟了。”

MKW预计,3D XPoint的销售额将从不久前的0增长到2018年的7.5亿美元。MKW的数据显示,到2020年,3D XPoint的收入预计将达到15亿美元。

相比之下,根据Coughlin Associates和Objective Analysis的报告,MRAM在2017年的营业额为3600万美元。其他存储器类型几乎没有出现。

与DRAM和NAND相比,新的存储器显得很苍白。据IC Insights预计,DRAM市场在2018年有望达到1016亿美元,NAND将达到4280亿美元。

与此同时,3D XPoint基于一种称为相变存储器(PCM)的技术。PCM以非晶相和结晶相存储信息。它可以通过外部电压进行可逆切换。

3D XPoint器件基于双层堆叠架构,采用20nm几何尺寸,具有128GB的密度。根据MKW的数据,读取延迟大约为125ns,耐用性为200K次擦写。

图3:3D XPoint架构 (来源:维基百科)

这项技术存储速度很快,但并不是NAND的1000倍。Webb说:“它的成本也远高于NAND,它不是DRAM的替代品,而是DRAM的补充。”

3D XPoint的下一步是什么?重大机遇在DIMM领域。当DIMM最终来自英特尔时,它将集成3D XPoint和DRAM。Webb说:“英特尔可以充分利用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。如前所述,两家公司将完成两个类别的现有产品,然后各自追求这些技术。

目前还不清楚美光是否会推出3D XPoint器件。到目前为止,美光尚未发布3D XPoint产品,因为该技术似乎会与它的DRAM和NAND产品竞争。

显然,英特尔有资源独自走3D XPoint路线。但问题是英特尔能否用这项技术收回其庞大的研发投资。

MRAM vs ReRAM

与此同时,业界也在开发其他新的存储器类型,例如MRAM和ReRAM。与3D XPoint一样,MRAM和ReRAM可以作为独立器件生产和销售。

3D XPoint不作为嵌入式存储器出售。相比之下,MRAM和ReRAM也可用于嵌入式存储器市场。

对于MRAM,业界正在开发一种下一代技术,自旋传递转矩MRAM(STT-MRAM)。STT-MRAM利用电子自旋的磁性为芯片提供非易失性。它结合了SRAM的速度和flash的非易失性,具有无限的耐用性。

图4:STT-MRAM存储单元。 (来源:MRAM-Info)

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

MTJ由内存堆叠组成,可以为给定的应用重新配置。但是在调整MTJ堆叠时,在耐久性、数据保持和写入脉冲宽度方面存在一些折衷。Everspin公司工程副总裁Tom Andre表示:“在MTJ堆叠的设计中,存在固有的权衡取舍。例如,你可以通过放弃数据保持来优化堆叠的耐用性,反之亦然。”

Andre说:“这允许你以不同的方式处理不同的应用。例如,如果你正在做嵌入式MRAM,并且你正在尝试构建用于代码存储的嵌入式NVM,那么提高数据保持能力、放弃耐久性非常适合这个应用。对于我们Everspin公司的独立部分而言,权衡的结果是相反的。我们致力于为这些循环写缓冲区类型的解决方案提供耐久性更强的应用。”

STT-MRAM还有别的优点,也有一些缺点。MKW公司的Webb说:“MRAM在速度上很好,但在成本和密度上无法竞争。此外,STT-MRAM比之前认为的更难以制造,因此限制了该技术在市场上的出货量。”

迄今为止,Everspin是唯一一家出货基于STT-MRAM的独立部件的公司。Everspin正在推出基于40nm的256MB器件,基于28nm的1GB器件也在开发中。Avalanche、Crocus、三星、东芝、SK海力士、Spin Transfer等公司也在研发STT-MRAM,但尚未投入生产。

Applied Materials公司工艺开发总经理Mahendra Pakala表示:“当我比较磁性与半导体工艺时,我会说学习曲线非常大。学习曲线需要时间。这是最大的问题。对于嵌入式市场,则有足够的临界质量。我会进一步对此进行论述。”

实际上,嵌入式MRAM的发展势头正在增强。GlobalFoundries、三星、台积电和联华电子正在为28nm/22nm的代工客户开发嵌入式MRAM。

在嵌入式市场中,行业普遍使用微控制器MCU。MCU在同一芯片上集成了多个组件,例如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NOR flash的MCU正在出货。现在,业界正在提升28nm MCU产量,16nm/14nm MCU正在研发中。

问题是,在28nm及更大范围内扩展嵌入式flash(有时称为eFlash)是很困难的。联华电子产品营销总监David Hideo Uriu表示:“许多人认为28nm/22nm将是eFlash的终结,不是因为微缩的限制,而是因为经济障碍。你能将嵌入式flash微缩到28nm以及更先进吗?答案是肯定的,因为我们将在22nm节点支持它。但是宏观设计本质上和我们的28nm是一样的。”

David Hideo Uriu表示:“超越28nm/22nm之后,eFlash在前端工艺流程中需要超过15个掩模加法器。额外的掩模加法器制造了经济障碍,挑战了代工行业,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技术边界。”

因此,嵌入式MRAM正在被开发,以取代28nm及以上的嵌入式NOR flash。GlobalFoundries公司前沿CMOS副总裁Mike Mendicino说:“嵌入式MRAM功耗低,写入快,嵌入式NOR flash要慢得多。”

例如,低功耗单片机可能需要快速唤醒和安全功能。Mendicino说:“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占据了芯片的很大一部分。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。Mendicino说:“MRAM本身可以在这些器件上节省电能。但如果你把一个真正优秀的MRAM放到一个平庸的平台上,那就毫无价值。”

然而,嵌入式MRAM仍然存在一些挑战,即把技术集成到设计中的能力。成本是另一个因素。联华电子的David Hideo Uriu表示:“客户希望新兴的嵌入式非易失性存储器的成本与eFlash一样具有成本效益。这种期望给代工行业带来了另一项挑战,并且难以实现,但解决方案应该能够利用当前的成本点保持当前的价格竞争水平。”

同时,电阻式RAM(ReRAM)也在不断发展,但尚未达到3D XPoint和MRAM的水平。通常,ReRAM有两种类型——氧空缺ReRAM和CBRAM。

在这两种情况下,开关介质位于顶部和底部电极之间。当在顶部电极上施加正电压时,在两个电极之间形成导电细丝。导电细丝由离子原子组成。当在底部电极上施加负压时,导电细丝就会断裂。

图5: ReRAM工作原理 (来源:Adesto)

ReRAM涉及一个复杂的过程。Applied Materials公司的Pakala表示:“了解它,以及如何控制它仍然是一项困难的挑战。”

MRAM和ReRAM都具有类似的读取和数据保持规格。但与ReRAM相比,MRAM具有更高的温度规格,这使MRAM在汽车等应用领域具有优势。联华电子的Uriu表示:“简而言之,MRAM可用于大多数汽车应用,但ReRAM只能用于今天的消费类应用。”

图6:MRAM与ReRAM (来源:联华电子)

到目前为止,Adesto和Panasonic是仅有的两家出货独立ReRAM的公司。 尽管Crossbar专注于IP授权模式,但该公司也在开发独立器件。在嵌入式领域,Crossbar正与Microsemi合作。Crossbar公司的Dubois表示:“Microsemi正致力于将嵌入式ReRAM集成到先进的SoC或FPGA中,它将是14nm或12nm。这意味着ReRAM可以微缩。有一家代工厂正在与我们合作,他们的大规模生产线正在制造12nm ReRAM”

其他公司也在开发ReRAM项目。Dubois说:“现在每个人都在关注ReRAM。如果你的应用是读取密集型,ReRAM要好得多。”

对于嵌入式ReRAM,主要应用程序包括AI/机器学习、计算、家庭自动化、工业和安全。

其他竞争者

铁电RAM (FRAM)是另一种值得关注的技术。它使用铁电电容存储数据,FRAM是非易失性存储器,具有无限的耐久性。

传统的FRAM在微缩方面受到限制。为了解决这些问题,初创公司Ferroelectric Memory(FMC)正在开发下一代FRAM,称为铁电FET(FeFET)。

仍在研发阶段的FeFET并不是新器件。FeFET利用现有的基于氧化铪的高k/金属栅极堆叠的逻辑晶体管。然后用铁电性质对栅极绝缘体进行改性。

FMC首席执行官Stefan Müller表示:“我们所做的主要是一种基于晶体管的技术,基于晶体管的铁电存储器。我们正在推进嵌入式领域的发展。这将成为消费者市场中的一部分。”

同时,在研发方面,Nantero公司正在研发碳纳米管RAM。对于嵌入式应用,富士通有望提供基于Nantero技术的首批碳纳米管RAM。

Nantero公司的Doller表示:“我们的策略是为逻辑器件做嵌入式内存。与此同时,我们正在研发的是一款与DRAM兼容的高容量器件。它将与DRAM竞争。”

因此,下一代存储器正在取得进展,它们为OEM厂商提供了充足的选择。但它们要成为主流器件,则还有很长的路要走。由于DRAM 和flash的发展滚滚向前,它们也可能永远不会成为主流。

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