解讀存儲技術(shù)發(fā)展趨勢

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)實驗室之時。許多技術(shù)先進的產(chǎn)品失敗了，也有許多較簡單的產(chǎn)品在許多年內(nèi)取得了巨大收入。對任何新興技術(shù)未來的預測都要求在新產(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)上進行，不能寄希望于預測未來事件和人類行為。只有時間能檢驗一切。

在實驗室和在新聞報道中對所謂的通用存儲器的討論也許已經(jīng)有10年時間了。雖然10年時間看來起不算長，但在半導體世界中已經(jīng)非常漫長。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)動器就已經(jīng)非常流行了。當時USB驅(qū)動器剛剛推出，容量在8MB左右，與任何新技術(shù)一樣價格很貴。(現(xiàn)在，4GB的U盤和傳統(tǒng)的鉛筆和尺子一樣已經(jīng)成為六年級學生的必備文具用品)

以上對存儲器發(fā)展之路的回顧不僅僅是懷舊之心使然。還在Zip驅(qū)動器全盛時期，三種“第一輪”競爭技術(shù)——PCRAM、MRAM和FeRAM——就已被認為是通用存儲器的候選技術(shù)。但直到今天，對候選技術(shù)的爭論仍然沒有停止。

相變RAM(PCRAM，或Numonyx公司現(xiàn)在簡稱的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)了這個詞組：期待已久的相變存儲器(PCM)。這個詞組很好地表達了PCRAM漫長的市場之旅。但是，考慮到近年來激進的營銷和有關(guān)PCM的新聞覆蓋，博主也許要再加上“更多期待”這個詞。

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

Chipworks對Nymonyx PCRAM的反向工程分析證明，PCRAM產(chǎn)品終于成功了。存儲器陣列的橫截面表明，PCRAM單元似乎由至少一個“上層”硅化觸點和一層壓縮在勢壘層內(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。事實上，美國專利號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分析方法對實際PCM單元結(jié)構(gòu)進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。這個容量強調(diào)說明PCRAM將沖擊更高位密度的存儲器市場。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)，盡管它是最后一個開發(fā)出來。

磁阻RAM是第二個跳出龍門的，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，但曾在半導體世界引起強烈反響。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)市場的器件容量最高達16Mb，公司網(wǎng)站只介紹了獨立的存儲器產(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器要求，這可能鼓勵存儲器行業(yè)尋找另一種能夠擔當這個角色的存儲器技術(shù)。

在經(jīng)過15分鐘長時間的聚光燈照射后，鐵電RAM自認為是通用存儲器競爭中的姣姣者。由于缺乏可擴展性，F(xiàn)eRAM早期曾被多次拋棄過。畢竟存儲器領(lǐng)域的下一件大事是需要替代已經(jīng)達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獨立存儲器。

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。FeRAM資深公司Ramtron和富士通都能提供獨立和嵌入式存儲器產(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)用和市場空間。智能電表、打印機墨盒和工控機就是很好的三個例子。對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)。這真的會是向瞬子計算機邁出的前幾步嗎?

位密度當然是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。這些器件采用先進的34nm工藝節(jié)點制造。得益于對NAND閃存的巨額投資和推動而大幅提高的這種位密度肯定會使任何試圖充當通用存儲器的創(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議上，許多人表示了高度的關(guān)注，從SanDisk創(chuàng)始人Eli Harari對NAND閃存業(yè)務(wù)模型的評價，到Sun閃存技術(shù)專家Michael Cornwell對企業(yè)消費者對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，我們也有把握認為第一輪候選技術(shù)并不能實現(xiàn)通用存儲器，不管是寫可靠性、寫速度還是位密度方面的原因。同時，第一輪技術(shù)的演變可能已經(jīng)造成非易失性、然后是通用存儲器市場中的分歧。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，必須縮放到更精細的工藝尺寸。同時，讓閃存保持跟蹤縮放曲線也變得越來越昂貴。保持最小可靠性標準也變得更具挑戰(zhàn)性。