解讀存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

任何技術(shù)的成功都應(yīng)該在距它首次應(yīng)用多年后才能衡量，而不是在剛走出開發(fā)實(shí)驗(yàn)室之時(shí)。許多技術(shù)先進(jìn)的產(chǎn)品失敗了，也有許多較簡(jiǎn)單的產(chǎn)品在許多年內(nèi)取得了巨大收入。對(duì)任何新興技術(shù)未來的預(yù)測(cè)都要求在新產(chǎn)品提供的較少量信息和類似產(chǎn)品的純歷史角度基礎(chǔ)上進(jìn)行，不能寄希望于預(yù)測(cè)未來事件和人類行為。只有時(shí)間能檢驗(yàn)一切。

在實(shí)驗(yàn)室和在新聞報(bào)道中對(duì)所謂的通用存儲(chǔ)器的討論也許已經(jīng)有10年時(shí)間了。雖然10年時(shí)間看來起不算長(zhǎng)，但在半導(dǎo)體世界中已經(jīng)非常漫長(zhǎng)。你想，1999年256MB的DRAM還是高端產(chǎn)品，250nm邏輯工藝如果算不上非常尖端的技術(shù)也是前沿工藝技術(shù)。在消費(fèi)產(chǎn)品中，蘋果剛在iMac系列電腦中刪除1.44MB的軟驅(qū)，Iomega的100MB Zip驅(qū)動(dòng)器就已經(jīng)非常流行了。當(dāng)時(shí)USB驅(qū)動(dòng)器剛剛推出，容量在8MB左右，與任何新技術(shù)一樣價(jià)格很貴。(現(xiàn)在，4GB的U盤和傳統(tǒng)的鉛筆和尺子一樣已經(jīng)成為六年級(jí)學(xué)生的必備文具用品)

以上對(duì)存儲(chǔ)器發(fā)展之路的回顧不僅僅是懷舊之心使然。還在Zip驅(qū)動(dòng)器全盛時(shí)期，三種“第一輪”競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)——PCRAM、MRAM和FeRAM——就已被認(rèn)為是通用存儲(chǔ)器的候選技術(shù)。但直到今天，對(duì)候選技術(shù)的爭(zhēng)論仍然沒有停止。

相變RAM(PCRAM，或Numonyx公司現(xiàn)在簡(jiǎn)稱的PCM)最終問世了。在2009年11月5日發(fā)表的Chipworks反向工程博客貼上出現(xiàn)了這個(gè)詞組：期待已久的相變存儲(chǔ)器(PCM)。這個(gè)詞組很好地表達(dá)了PCRAM漫長(zhǎng)的市場(chǎng)之旅。但是，考慮到近年來激進(jìn)的營(yíng)銷和有關(guān)PCM的新聞覆蓋，博主也許要再加上“更多期待”這個(gè)詞。

如果沒有忘記的話，1970年相變內(nèi)存還有一個(gè)別名，叫奧弗辛斯基電效應(yīng)統(tǒng)一存儲(chǔ)器，當(dāng)時(shí)256位版本曾出現(xiàn)在電子期刊封面上。現(xiàn)在，你也可能看到PRAM這個(gè)單詞，它隱含意味著PCRAM是一種“完美”的RAM。

Chipworks對(duì)Nymonyx PCRAM的反向工程分析證明，PCRAM產(chǎn)品終于成功了。存儲(chǔ)器陣列的橫截面表明，PCRAM單元似乎由至少一個(gè)“上層”硅化觸點(diǎn)和一層壓縮在勢(shì)壘層內(nèi)的相變材料組成。這種結(jié)構(gòu)位于鎢插件的頂部。

查看有關(guān)PCRAM的一些早期專利可以發(fā)現(xiàn)，Intel公司可能傾向于阻性加熱，其相變材料的形狀由側(cè)壁間隔層定義。事實(shí)上，美國(guó)專利號(hào)7049623描述了由氣孔和側(cè)壁間隔層定義的相變材料形狀。相變材料再被上電極和下電極連接。

總之，采用更高分辨率的傳輸電極顯微鏡和化學(xué)分析方法對(duì)實(shí)際PCM單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面分析后就能了解任何已發(fā)布專利的相關(guān)信息。

大約今年9月底，三星公司發(fā)布了512Mb的器件。這個(gè)容量強(qiáng)調(diào)說明PCRAM將沖擊更高位密度的存儲(chǔ)器市場(chǎng)。三星公司暗示在NOR閃存插座中使用PCRAM可以節(jié)省20%的功耗。

在所有第一輪候選技術(shù)中，PCRAM可能獲得過最多的關(guān)注(包括本文)，盡管它是最后一個(gè)開發(fā)出來。

磁阻RAM是第二個(gè)跳出龍門的，最早是2005年飛思卡爾推出的器件。雖然MRAM不再位列新聞稿頭條，但曾在半導(dǎo)體世界引起強(qiáng)烈反響。許多人希望MRAM能夠“什么都做”，包括用作微控制器的片上緩存。畢竟這只是一種交叉器件，可以用于在布線層之間交叉處的后端處理。

但是，MRAM從未在空間應(yīng)用之外使用過，或作為電池供電SRAM的替代品。再從商業(yè)角度看，賽普拉斯公司在2005年2月就想出售其MRAM部門，飛思卡爾公司則在2008年6月分出MRAM部門成立了Everspin公司。目前，Everspin供應(yīng)市場(chǎng)的器件容量最高達(dá)16Mb，公司網(wǎng)站只介紹了獨(dú)立的存儲(chǔ)器產(chǎn)品。

MRAM已經(jīng)取得了很大的成功：它的防幅射性能使得它成為衛(wèi)星和其它空間應(yīng)用的首選SRAM替代品。但MRAM仍無法滿足通用存儲(chǔ)器要求，這可能鼓勵(lì)存儲(chǔ)器行業(yè)尋找另一種能夠擔(dān)當(dāng)這個(gè)角色的存儲(chǔ)器技術(shù)。

在經(jīng)過15分鐘長(zhǎng)時(shí)間的聚光燈照射后，鐵電RAM自認(rèn)為是通用存儲(chǔ)器競(jìng)爭(zhēng)中的姣姣者。由于缺乏可擴(kuò)展性，F(xiàn)eRAM早期曾被多次拋棄過。畢竟存儲(chǔ)器領(lǐng)域的下一件大事是需要替代已經(jīng)達(dá)Gb容量的閃存。目前最高密度的FeRAM還在Mb范圍，比如Ramtron公司推出的8Mb獨(dú)立存儲(chǔ)器。

具有諷刺意味的是，F(xiàn)eRAM在過去10年中一直在商用化生產(chǎn)，并且獲得了第一輪侯選技術(shù)中最高的收入。

位密度不是FeRAM(或MRAM)的特長(zhǎng)。FeRAM資深公司Ramtron和富士通都能提供獨(dú)立和嵌入式存儲(chǔ)器產(chǎn)品，而且嵌入式應(yīng)用可能有很好的結(jié)果。富士通已經(jīng)將FeRAM集成進(jìn)RFID產(chǎn)品中多年了，而Ramtron推出的控制器用于數(shù)據(jù)采集設(shè)備。大約七年前，TI公司宣布開發(fā)FeRAM，作為系統(tǒng)級(jí)芯片中的SRAM替代品。

FeRAM和MRAM已經(jīng)深入到大量低位密度應(yīng)用和市場(chǎng)空間。智能電表、打印機(jī)墨盒和工控機(jī)就是很好的三個(gè)例子。對(duì)它們的一般要求是快速寫入和高的寫入可靠性，在這方面閃存器件和傳統(tǒng)的E2PROM都無法勝出。讓人特別感興趣的一種新興應(yīng)用是非易失性寄存器(參考第31頁內(nèi)容)。這真的會(huì)是向瞬子計(jì)算機(jī)邁出的前幾步嗎?

位密度當(dāng)然是NAND閃存的過人之處。展望未來，重要的是要記住NAND閃存的位密度將以驚人的速度提高。即使是今天，Intel和Micron Technology已經(jīng)發(fā)布32Gb、3位/單元的器件。這些器件采用先進(jìn)的34nm工藝節(jié)點(diǎn)制造。得益于對(duì)NAND閃存的巨額投資和推動(dòng)而大幅提高的這種位密度肯定會(huì)使任何試圖充當(dāng)通用存儲(chǔ)器的創(chuàng)新技術(shù)面臨重重困難。

另一方面，閃存世界也不是十全十美。在今年夏天舉行的閃存高峰會(huì)議上，許多人表示了高度的關(guān)注，從SanDisk創(chuàng)始人Eli Harari對(duì)NAND閃存業(yè)務(wù)模型的評(píng)價(jià)，到Sun閃存技術(shù)專家Michael Cornwell對(duì)企業(yè)消費(fèi)者對(duì)NAND閃存需求的展望。也許閃存到25nm以后將接近極限。

即使十年以后，我們也有把握認(rèn)為第一輪候選技術(shù)并不能實(shí)現(xiàn)通用存儲(chǔ)器，不管是寫可靠性、寫速度還是位密度方面的原因。同時(shí)，第一輪技術(shù)的演變可能已經(jīng)造成非易失性、然后是通用存儲(chǔ)器市場(chǎng)中的分歧。目前在低位密度技術(shù)和高位密度器件之間有明顯的分化。

閃存已經(jīng)開啟一個(gè)位密度攀升的信道，這將使第一輪技術(shù)幾乎不可能跟上。第一輪候選技術(shù)要想跟上目前的閃存密度，必須縮放到更精細(xì)的工藝尺寸。同時(shí)，讓閃存保持跟蹤縮放曲線也變得越來越昂貴。保持最小可靠性標(biāo)準(zhǔn)也變得更具挑戰(zhàn)性。