嵌入式存儲器的過去與現(xiàn)在

隨著超大規(guī)模集成電路工藝的發(fā)展，人類已經(jīng)進入了超深亞微米時代。先進的工藝使得人們能夠把包括處理器、存儲器、模擬電路、接口邏輯甚至射頻電路集成到一個大規(guī)模的芯片上，形成所謂的SoC(片上系統(tǒng))。作為SoC重要組成部分的嵌入式存儲器，在SoC中所占的比重(面積)將逐漸增大。

近期臺積電技術長孫元成在其自家技術論壇中，首次揭露臺積電研發(fā)多年的eMRAM(嵌入式磁阻式隨機存取存儲)和eRRAM(嵌入式電阻式存儲器)將分別訂于明后年進行風險性試產(chǎn)。預計試產(chǎn)主要采用22nm工藝。這種次世代存儲將能夠為物聯(lián)網(wǎng)、行動裝置、高速運算電腦和智能汽車等四領域所提供效能更快和耗電更低的存儲效能。臺積電此舉讓嵌入式存儲器再度回到人們的視線中。本文將為你闡述嵌入式存儲器的前世今生。

何為嵌入式存儲器

嵌入式存儲器現(xiàn)在已經(jīng)不是一個新的概念了。相對于片外存儲器，嵌入式存儲器是指集成在片內(nèi)與系統(tǒng)中各個邏輯、混合信號等IP共同組成單一芯片中的存儲器?，F(xiàn)已經(jīng)成為SOC芯片的基本組成部分，幾乎今天每個SOC芯片中嵌入式存儲器都占有一定比重。

按照掉電后數(shù)據(jù)是否會丟失，可將嵌入式存儲器分為兩大類，一類是揮發(fā)性存儲器，另一類則是非揮發(fā)性存儲器。揮發(fā)性存儲器是指掉電后數(shù)據(jù)會丟失，主要包括速度快、功耗低的SRAM和高密度的DRAM。而非揮發(fā)性存儲器則剛好相反，其在實際應用中主要包括eFlash、EEPROM以及eMRAM、eRRAM、ePRAM等次世代存儲器。

雖然都是存儲器，但二者還是有些許不同。嵌入式存儲器和分立式存儲器最重要的不同之處在于嵌入式存儲器往往跟應用IC自身的工藝特性條件有很大關系，比如用90nm和用45nm工藝做出來的芯片，其內(nèi)部嵌入式存儲器大小差別也是很大的。而分立式存儲器件則主要圍繞存儲器器件工藝進行優(yōu)化。

隨著信息技術的發(fā)展，嵌入式存儲器在SOC中的面積所占比重也在逐年增加，從圖一可以看出，從1999年平均的20%上升到2007年的60-70%乃至2014年的90%的面積。可以看出，嵌入式存儲器對于芯片系統(tǒng)性能的影響越來越大。

圖一 嵌入式存儲器在SOC中所占芯片面積的比重。

嵌入式存儲器發(fā)展歷程

早在上世紀六七十年代，那時的半導體行業(yè)主要由IDM占據(jù)，每個公司從芯片設計、制造到封裝都自己做。各家都是獨立開發(fā)自己的工藝、IP和相關芯片。

早期人們對于系統(tǒng)的要求包括集成度、速度、功耗都不高，因此分立式存儲器在那時占據(jù)主流位置，成為各應用廠家的首選。

后來到了上世紀八九十年代，fabless和foundry模式開始出現(xiàn)，基于設計的復雜性以及產(chǎn)品設計周期兩方面考慮，開始出現(xiàn)第三方的獨立IP供應商，如ARM公司。

隨著芯片集成度的不斷提升，反過來給分立存儲器帶來了兩大挑戰(zhàn)：1)集成度和工藝開始允許片內(nèi)集成更多的存儲器;2)存儲器的速度發(fā)展遠遠落后于MPU的速度，MPU速度以每年60%在成長，而存儲器只有10%。二者速度之間增長的差異，如圖二所示。

圖二 MPU于DRAM隨時代變遷而發(fā)展的關系圖

同時片內(nèi)存儲器具有靈活簡單的接口、更低延遲和更寬總線，更為重要的是還能節(jié)省系統(tǒng)的空間大小，使得它日益受到集成電路設計師的青睞。在這一時期嵌入式存儲器主要以SRAM和DRAM兩種形式呈現(xiàn)。

到了九十年代中期，Intel做了一項重大創(chuàng)新，將片外高速緩沖器(Cache)集成到了片內(nèi)。這直接導致當時一大批分立的片外高速緩沖存儲器廠商倒閉，成為嵌入式存儲器代替分立式存儲器的標志性事件。

到了今天一顆手機處理器超過90%的面積由各種嵌入式SRAM如寄存器堆，一二級緩存甚至三級緩存組成，嵌入式SRAM也成為晶圓代工廠的工藝技術衡量指標。由于SRAM由六個晶體管組成，而DRAM只有一個晶體管加一個電容組成，具有面積優(yōu)勢，當時很多廠商其實都在思考將DRAM嵌入到系統(tǒng)的可能性。

九十年代，當時IBM，Toshiba等大公司都在嘗試開發(fā)嵌入式DRAM。但開發(fā)并不順利，開發(fā)的難點在于DRAM工藝與常規(guī)邏輯工藝差異很大，工藝的整合難度相當大。雖然到今天，隨著工藝的進步，使得一些公司像TSMC也在重新審視eDRAM的可行性，并有部分成果，但是主流的設計還是沒有將eDRAM納入必備選項。

后來隨著消費類電子大幅成長，不斷擴大的存儲需求刺激著嵌入式閃存(eFlash)不斷發(fā)展。從早期，設計人員將程序簡單固化在ROM中，到后來的OTP，EEPROM乃至現(xiàn)在很火的高密度eFlash內(nèi)存。嵌入式內(nèi)存能夠有效存儲代碼和數(shù)據(jù)，而且掉電后還不丟失，對很多應用都有重要意義。

然而走到今天，現(xiàn)有存儲技術暴露的一些缺陷，比如SRAM、DRAM的問題在于其易失性，斷電后信息會丟失且易受電磁輻射干擾，這一缺陷極大限制了其在國防航空航天等一系列關鍵高科技領域的應用。而FLASH、EEPROM的寫入速度慢，且寫入算法比較復雜，無法滿足實時處理系統(tǒng)中高速、高可靠性寫入的要求，且功耗較高，無法滿足嵌入式應用的低功耗要求。

新型存儲器躍躍欲試

對于現(xiàn)有信息存儲產(chǎn)品的性能有了更高要求，迫切需要在存儲材料和技術方面取得突破。在這些需求的驅動下，相繼出現(xiàn)了一些新型非易失存儲器，如鐵電存儲器(FRAM)、相變存儲器(PRAM)、磁存儲器(MRAM)、阻變存儲器(RRAM)。雖然說這些是新型存儲器，但從某個角度看，這些存儲器已經(jīng)存在有一段日子了。

(1)鐵電存儲器(FRAM)

鐵電存儲器是一種掉電后信息不丟失的非易失存儲器，具有高速、高密度、低功耗和抗輻射等優(yōu)點。其核心基礎是鐵電晶體材料，采用鐵電效應作為其電荷存儲機制，同時擁有隨機存取存儲器(RAM)和非易失性存儲產(chǎn)品的特性。其結構圖如下圖所示。FRAM的工作原理是利用金屬-鐵電-半導體場效應晶體管結構，鐵電薄膜用來替代MOS管中的柵極氧化硅層，鐵電薄膜保持著兩個穩(wěn)定的極化狀態(tài)，分別表示“1”和“0”。

圖三 FRAM結構剖面圖

(2)磁性存儲器(MRAM)

MRAM是利用材料的磁場隨磁場的作用而改變的原理所制成。利用磁存儲單元磁性隧道結(MTJ)的隧穿磁電阻效應來進行存儲。

如下圖四所示，MTJ有三層，最上層為自由層，中間是隧道結，下面是固定層。自由層的磁場極化方向是可以改變的，而固定層的磁場方向固定不變。當自由層與固定層的磁場平行時，存儲單元呈現(xiàn)低阻態(tài);當磁場方向相反時，存儲單元呈現(xiàn)高阻態(tài)。MRAM通過檢測存儲單元電阻的高低，來判斷所存數(shù)據(jù)是0還是1。

圖四 MJT結構示意圖

(3)相變存儲器(PRAM)

PRAM的存儲原理是利用某些薄膜合金的結構結構相變存儲0和1的信息。通常這些合金具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)：具有低電阻的多晶狀態(tài)和具有高電阻的無定形狀態(tài)。PRAM應用硫系玻璃材料，利用硫族材料的電致相變特性，其在晶體和非晶體狀態(tài)呈現(xiàn)不同的電阻特性。當被加熱時呈晶體狀，為1狀態(tài);當冷卻為非晶體時，為0狀態(tài)。通過改變流過該晶體的電流就可以實現(xiàn)這兩種狀態(tài)的轉換。

(4)阻變式存儲器(RRAM)

RRAM的原理是通過特定的薄膜材料的電阻值在不同電壓下呈現(xiàn)的電阻值不同來區(qū)分0和1的值。RRAM的存儲單元具有簡單的金屬/阻變存儲層/金屬(MIM)三明治結構如圖六所示。

圖五 RRAM器件結構圖

哪種存儲會是未來的選擇?

FRAM的讀寫速度主要取決于鐵電材料的極化反轉特性，根據(jù)目前理論極化反轉速度可達到皮秒量級。

MRAM利用磁性存儲數(shù)據(jù)，容量成本低，具有低功耗、高速存取、無限次讀寫、抗輻射能力強等優(yōu)點，在軍事、航空航天、移動通訊等領域的應用有很大優(yōu)勢。

PRAM被認為是FLASH和DRAM的替代者，讀寫速度是普通閃存的30倍，同時其擦寫壽命也是閃存的10倍。PRAM的最大優(yōu)點是高效能和低耗電。

RRAM具有與CMOS工藝兼容性好、低功耗、易于隨先進工藝微縮等優(yōu)點受到廣泛關注?？偨Y這幾種新式存儲器優(yōu)缺點如下表所示。

表一 幾種存儲器性能對比

新型存儲器挑戰(zhàn)

FRAM目前作為新型存儲器的主要問題是鐵電薄膜材料。未來發(fā)展需要解決的主要難題：一是采用3D結構縮小單元面積提高集成度;二是提高鐵電薄膜特性。

RRAM還是一項前沿的研究課題，目前還主要停留在實驗室階段。未來材料的尋找仍然是RRAM面臨的主要問題。

而臺積電未來選擇先生產(chǎn)的MRAM和PRAM也會遇到挑戰(zhàn)。MRAM的主要問題在于其高昂的制造成本。其次MRAM依靠磁性存儲材料，磁場會對周圍的芯片產(chǎn)生怎樣的影響需要仔細考慮。

而PRAM的最大問題是成本和容量。目前PRAM的單位容量成本還是比NAND高不少。發(fā)熱對于PRAM而言是個大問題，由于PRAM需要加熱電阻式材料發(fā)生相變，隨著工藝越來月先進，單元變得越來越精細，對于加熱元件的控制要求也將越來越高，那發(fā)熱帶來的影響也將加大。發(fā)熱和耗電可能會制約PRAM的進一步發(fā)展。

嵌入式存儲器未來

嵌入式存儲器具有大容量集成的優(yōu)勢，是SOC的重要組成部分，具有重要的創(chuàng)新性和實用性。何種嵌入式存儲器將取得最終的成功，取決于多方面的因素：能否與標準CMOS工藝兼容，在不斷增加復雜性的工藝步驟的基礎上，實現(xiàn)大容量的片上集成，從而提高其性價比;能否隨著工藝的發(fā)展縮小尺寸，解決超深亞微米工藝的延續(xù)性和擴展性問題，這是所有采用電容結構存儲信息的存儲器面對的共同挑戰(zhàn);能否滿足片上其他高速邏輯的帶寬需要，構成帶寬均衡、穩(wěn)定簡潔的集成系統(tǒng);準確的市場定位，保持量產(chǎn)。

總而言之每項技術的發(fā)展都有其機會與挑戰(zhàn)。而無懼挑戰(zhàn)勇于創(chuàng)新的企業(yè)最終將贏得市場。