晶圓代工開始關注新型存儲

NOR Flash 內(nèi)存的發(fā)展已達到了極限，因為它無法相容在 28nm 以下的制程技術，這讓用新興的存儲器作為替代成為低風險的方式，低功耗應用也很適用于新世代存儲器。但更高密度對大多數(shù)新興存儲器來說仍然是一個挑戰(zhàn)。

新世代存儲器正進入一個新的階段，就像前幾年的相變存儲器（PCM)。就在分析師 Thomas Coughlin 與 Jim Handy 匯整年度報告時，英特爾（Intel）宣布以 PCM 3D XPoint 技術的 Optane 即將落幕，這表示「新世代存儲器進入下一階段」進行最后的調(diào)整。

新世代存儲器的下一階段主要的芯片代工廠——三星（Samsung)、臺積電（TSMC）與 GlobalFoundries——生產(chǎn)電阻式隨機存取存儲器（ReRAM）或磁阻式隨機存取存儲器（MRAM)。

Handy 說：「這就是我們所期待大多商業(yè)模式的來源，」他另外提到，嵌入式新世代存儲器的成長將源于 ReRAM 與 MRAM 放置在微控制器（MCU)、ASIC 甚至現(xiàn)場可編程邏輯閘陣列（FPGA）等元件中。「而且它主要作為 NOR 快閃存儲器的可替代式元件。」

NOR 快閃存儲器已達到了極限，因為它無法相容在 28nm 以下的制程技術，這讓用新興的存儲器作為替代成為低風險的方式，低功耗應用也很適用于新世代存儲器。

鐵電隨機存取存儲器（FRAM）是新世代存儲器很好的例子，它填補了低密度的利基需求——其輻射耐受性是英飛凌科技（Infineon Technologies）將其應用于太空的原因。在今年年初時，英飛凌宣布其 2MB 的序列周邊介面 FRAM，該公司聲稱這是太空產(chǎn)業(yè)中的第一個輻射硬化（rad-hard) FRAM。除了輻射耐受性，F(xiàn)RAM 在運作過程中的低能耗使其成為太空的首選，因為電力寶貴，而且與非揮發(fā)性 E2PROM 與串列 NOR 快閃裝置相比，還具有更出色的寫入能力。

FRAM 在汽車、外太空領域具備可靠性

最近，英飛凌推出了 8Mb 與 16Mb 的 Excelon F-RAM 存儲器，旨在滿足下一代汽車與工業(yè)系統(tǒng)的非揮發(fā)性資料記錄需求。這些系統(tǒng)與外太空一樣，工作環(huán)境惡劣，需要額外的保護來協(xié)助防止資料遺失。英飛凌汽車部門 RAM 產(chǎn)線負責人 Ramesh Chettuvetty 在接受《EE Times》采訪時表示，這些最新的 FRAM 提供業(yè)內(nèi)最高的密度，能符合自動化，并提高與感測器連接，快速成長所帶來的資料記錄的要求需求。

英飛凌在 FRAM 方面的投資可以回溯到很久之前，部分原因是收購了 Cypress Technologies。Chettuvetty 提到，除了低電力與耐輻射之外，新世代存儲器的吸引力在于其資料傳輸時的可靠性，使其成為汽車等業(yè)界執(zhí)行重要任務資料記錄的首選，因為在上述業(yè)界中，對資料記錄的要求非常嚴格。FRAM 是目前 NOR 快閃存儲器的理想替代品，NOR 快閃存儲器損耗很快，不過在對資料記錄的要求并非重要任務的地方，快閃存儲器仍然是首選，因為價格便宜。

無論可靠性要求如何，低密度 FRAM 仍有市場的需求，即使記錄產(chǎn)生的資料量增加。如果空間是最后的戰(zhàn)場，那么高密度就是 FRAM 的下一個戰(zhàn)場。

Chettuvetty 說：「現(xiàn)有技術在密度上存在一定的限制?！顾麩o法詳細說明，但英飛凌正在探討如何透過研究不同的材料將 FRAM 的密度提高到 16Mb 以上。

FRAM 因其非揮發(fā)性和低功耗而存在了將近 40 年，這得益于，與其他存儲器相比，F(xiàn)RAM 具備較低的開關能源。正如 Coughlin/Handy 報告所提出，這種新興的存儲器似乎比所有其他新興的存儲器類型總和的銷售量還多。FRAM 的應用包含富士通（Fujitsu）生產(chǎn)地鐵卡的 RFID 芯片，每筆交易都是由無線電訊號所產(chǎn)生的電能來驅動。

FRAM 面臨的挑戰(zhàn)是，由于鉛（lead）與鉍（bismuth）的材料問題，很難與標準 CMOS 制程結合，因此它在較小的制程中不能量產(chǎn)——能夠與現(xiàn)有的 CMOS 制程結合并采用 3D 技術是量產(chǎn)的重要因素。今天，三種類型的 FRAM 單元的開發(fā)工作仍在繼續(xù)：基于電容式 FRAM、鐵電場效晶體管（FeFET）與氧化鉿鋯鐵電穿隧接面（ferroelectric tunnel junction)。報告指出，在過去十年中，新的無鉛與無鉍材料對 FRAM 燃起新的希望，其中包括氧化鉿（hafnium oxide)。

德國 Dresden 鐵電存儲器（FMC）在 NAMLABS 于 2011 年發(fā)表氧化鉿研究基礎上，克服 FRAM 的限制。氧化鉿可作為所有高介電常數(shù)金屬閘極（HKMG）制程節(jié)點的閘極絕緣體，從而采用標準式 HKMG 晶體管，并將其閘極絕緣體修改為鐵電，以創(chuàng)造一個非揮發(fā)性的 HKMG 晶體管——FeFET。

FRAM 和 ReRAM 都有相似的成功和挑戰(zhàn)。兩者都具有耐輻射性，并且在較小的密度下取得了一些成功，但 ReRAM 也在努力擴大密度，并實現(xiàn)離散存儲器商業(yè)化。Weebit Nano 可以說是最活躍和最引人注目的 ReRAM 公司，該公司的大部分重點一直是為其離散式氧化硅 ReRAM 開發(fā)必要的選擇器技術。

ReRAM 透過選擇器的進步來打破障礙

這家以色列公司完成對其研發(fā)伙伴 CEA-Leti 所制造的 ReRAM 模組全面的技術鑒定，CEA-Leti 在 Weebit 的進展中發(fā)揮了重要作用。Weebit 行銷副總裁 Eran Briman 提到，該鑒定是根據(jù) JEDEC 非揮發(fā)性存儲器（NVM）的業(yè)界標準來進行，證實 Weebit 的嵌入式技術適合批量生產(chǎn)。其 ReRAM 展示芯片包括完整的嵌入式應用子系統(tǒng)，包括 Weebit ReRAM 模組、RISC-V MCU、系統(tǒng)界面、存儲器與周邊設備。

今年年初，Weebit Nano 展示了其如何將最初的 ReRAM 模組結合到一個完整的子系統(tǒng)中，包括一個 RISC-V MCU、系統(tǒng)界面、靜態(tài)隨機存取存儲器（SDRM）與周邊。來源：Weebit Nano

同時，Weebit 的嵌入式 ReRAM 模組已經(jīng)從 SkyWater 的美國生產(chǎn)廠交付給 Weebit——這是第一次從生產(chǎn)廠收到 Weebit ReRAM 的硅晶圓——并證明其 ReRAM 可以用標準工具與成熟的制程生產(chǎn)，使其更容易被客戶的系統(tǒng)單芯片（SoC）設計所采用。

Briman 在接受《EE Times》采訪時說到，Skywater 的交付是一個重要的里程碑。該公司與 CEA-Leti 一起，最近展示了其 ReRAM 選擇器如何使用標準材料與工具實現(xiàn)離散芯片所需的高密度，同時也能夠嵌入應用，為未來 SoC 提供更高的 NVM 密度。他說，這意味著該選擇器可以在臺積電等晶圓代工廠結合到嵌入式裝置中?！高@相當有意義，因為這意味著我們可以縮小這些存儲器陣列尺寸?！?/span>

精心設計一個選擇器是很重要的，因為它可以確保只有應該被存取的特定單元實際被存取，而所有其他單元都被斷開，不會受到影響。嵌入式 ReRAM 設計傳統(tǒng)上使用晶體管作為選擇器元件，但它們增加了一個儲存位元的單元面積，不能支持離散芯片所需的高密度。進一步發(fā)展 ReRAM 的其他方法包括 3D 堆疊式 ReRAM 交叉點結構與技術，可以提高每個芯片的位元容量，以及最大限度地降低成本。

Weebit 兩年前開始加大離散 ReRAM 的開發(fā)力道，當時的驅動力是潛在客戶的迫切需求，以及離散 ReRAM 在遇到量產(chǎn)挑戰(zhàn)時，成為 NOR 快閃存儲器替代品的現(xiàn)實機會。正如 Weebit 執(zhí)行長 Coby Hanoch 之前告訴《EE Times》的那樣，當時的計劃是，嵌入式 ReRAM 的收入將為離散方面的進展提供資金，包括選擇器，而對神經(jīng)形態(tài)運算應用的資源投入時機是一個長期的機會。

Briman 說，與英飛凌的 FRAM 一樣，Weebit 的 ReRAM 是工業(yè)級的，這使得它對包括汽車與航空航天在內(nèi)的惡劣環(huán)境非常有用，特別是在快閃存儲器無法處理輻射的地方?！肝覀兊漠a(chǎn)品面對輻射非常強健，在高溫狀態(tài)也非常穩(wěn)健?！?/span>

他說，Yole Group 發(fā)表的其他研究報告預測，嵌入式 ReRAM 市場將在 5 年內(nèi)達到 10 億美元大關，而且晶圓代工廠、晶圓廠與整合元件制造商（IDM）也有很大的興趣。

Briman 說，ReRAM 的主要挑戰(zhàn)是繼續(xù)縮小到更低的制程節(jié)點。Weebit 很快就會推出 22 納米與 8Mb 元組的存儲器模組，「而且我們已經(jīng)在研究更先進的制程節(jié)點」。但他指出，每個節(jié)點都有自己的資格要求，以確保可靠性與耐用性，同時在縮小規(guī)模時保持存儲器單元的電流與電壓，所以前面有許多技術挑戰(zhàn)。「從嵌入式市場開始，它的存儲器陣列較小，是進入這個市場的一個更好的入口。嵌入式領域有足夠大的市場機會。」

根據(jù) Coughlin/Handy 的報告，除了 Weebit 之外，目前還有一些 ReRAM 元件可用于特殊應用。CrossBar 已經(jīng)對一個 40 納米的 ReRAM 進行了采樣，由其代工伙伴中芯國際制造，Microsemi（已被 Microchip 收購）與 Microchip 授權其技術。該公司最近一直專注于將其技術應用于硬件安全應用，其形式是基于 ReRAM 的加密物理不可仿制（unclonable）功能密鑰，可在安全運算應用中生成。這些密鑰并不是新技術，但由于網(wǎng)絡銀行與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的出現(xiàn)而得到更多關注，這為銀行卡或支付終端等專用電子設備的安全之外創(chuàng)造了機會。

Coughlin/Handy 報告指出的 ReRAM 的其他應用包括人工智能。與 PCM 一起，它通常被稱為神經(jīng)網(wǎng)絡的架構中儲存線性加權配置，這是一種非常簡化地推理引擎，可以在非常短的時間內(nèi)以低精準度執(zhí)行大量的數(shù)學運算。

MRAM 實現(xiàn)了更高的密度

與 FRAM 與 ReRAM 不同，MRAM 作為離散與嵌入式存儲器在量產(chǎn)與提供顯著密度方面取得了更多進展，它有多種形式，其中有兩種更常見的存儲器產(chǎn)品：Toggle 模式與自旋轉移矩（spin transfer torque，STT)。切換式 MRAM 正在成為替代 SRAM 的持久性存儲器標準，并被用于運輸、航空航天、企業(yè)、醫(yī)療、物聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)應用。

隨著 STT MRAM 密度的擴大，它正逐漸走向成為資料中心應用的通用存儲器，因為與 Toggle 相比，它可以達到更高的密度、更低的功耗，并降低成本。Everspin Technologies 擁有離散與嵌入式存儲器件的產(chǎn)品線，最近，該公司推出了 EMxxLX STT-MRAM 元件，該元件設計用于資料持久性與完整性、低電力、低延遲與安全性至關重要的電子系統(tǒng)，如工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT)、網(wǎng)絡/企業(yè)基礎設施、過程自動化與控制、航空航天、醫(yī)療、游戲與 FPGA 配置。

Everspin Technologies 總裁暨執(zhí)行長 Sanjeev Aggarwal 在接受《EE Times》采訪時提到，其最新的 MRAM 可以在高密度下取代 NOR 快閃存儲器。對于 Everspin 來說，將離散的 MRAM 產(chǎn)品推向市場要比嵌入式產(chǎn)品更快，對于后者，它正與 GlobalFoundries 等代工伙伴進行大量合作。雖然 Toggle 和 STT MRAM 在溫度范圍、速度和資料保留方面都非常適合工業(yè)應用，但「STT MRAM 允許我們將 MRAM 從低密度擴展到高密度，」Aggarwal 提到。當其進入更小的節(jié)點時，所需要更的電流會更少。

Aggarwal 說，Everspin 已經(jīng)為資料中心應用提供了近五年的 DDR 界面 MRAM，并不斷擴大其 SRAM 替代產(chǎn)品的市場比重。MRAM 替代的另一個候選者是 NOR 快閃存儲器，與其他新世代存儲器相比，它的優(yōu)勢之一是不需要做任何擦除。Aggarwal 說：「對于電阻式存儲器，需要有一個擦除命令，這會導致更長的延遲與更高的功率?！顾⒀a充，另一個市場機會是在 FPGA 內(nèi)，它也采用 NOR 快閃存儲器。

盡管 MRAM 有這么多機會，Aggarwal 并不幻想它能完全取代 DRAM，包括低電力 DRAM 或 NAND 快閃存儲器?！肝也徽J為從成本角度來看，我們將永遠沒有競爭力，但我們能做的是作為相鄰的存儲器。且作為相鄰的存儲器，STT MRAM 仍有相當大的優(yōu)勢?！?/span>

Aggarwal 表示，鄰接可以透過 Compute Express Link (CXL）界面來完成，該界面旨在最佳化存儲器資源的使用，以便將正確的存儲器用于正確的工作負載，同時盡量減少資料必須傳輸?shù)木嚯x?！窩XL 所做的是允許你在設備側處理具有不同延遲的存儲器。在這個意義上，CXL 是 MRAM 可以使用的界面。」

Coughlin/Handy 報告指出，MRAM 的重要優(yōu)勢在于它需要更少的遮罩，從而降低了生產(chǎn)的復雜性。由于 PCM 尚未成為一種可行的代工技術，而 ReRAM 在很大程度上仍處于研究與開發(fā)階段，嵌入式 MRAM 看起來是嵌入式 NOR 快閃存儲器的資料。它還能耐受輻射，使它對空間硬化的應用非常有用。Everspin 最近與 QuickLogic 簽訂了一份合約，提供 MRAM 技術、設計與后段制造服務。他們將共同開發(fā)與演示戰(zhàn)略防輻射、高可靠性的 FPGA 技術，以支援已確定與未來的美國國防部（DoD）策略與空間系統(tǒng)要求。

報告指出，除了 Everspin，其他著名的 MRAM 開發(fā)商包括 Avalanche Technology，該公司幾年來一直在研究自家版本的垂直 STT MRAM，并主要關注軍用級產(chǎn)品，而三星為其嵌入式產(chǎn)品制定了廣泛的 MRAM 開發(fā)計劃。2022 年初，該公司展示了一種處理儲存資料并用于人臉檢測的存儲器運算 MRAM 芯片；三星的芯片將運算元素添加到 64 × 64 單元的 MRAM 元件橫條陣列中，以加快人工智慧任務。

近年來另一個備受矚目的新興存儲器是 PCM，但其在市場上的成長完全依賴美光（Micron）和 Intel 聯(lián)合開發(fā)的 3D XPoint 技術。隨著美光在 2021 年 3 月退出該市場，幾乎沒有什么產(chǎn)品開發(fā)，而 Intel 在經(jīng)過認真的開發(fā)投資和行銷后，在 2022 年夏天停掉了其 Optane 固態(tài)硬碟（SSD）和 DIMM，由于 Optane 并未成功，所以他懷疑是否有人會再追捧它，但如果 Intel 出售專利或工程師接手經(jīng)營一家可以為其他應用做 PCM 的獨立公司，他也不會感到驚訝。

整體而言，Handy 指出有一些利基市場需要新興存儲器的特定性能，如耐輻射性。「現(xiàn)在人們真正重視新興存儲器技術的地方是對電源敏感的應用，所以這將是該技術獲得立足點的一個較佳領域?！沟f，最終，新興的存儲器仍然面臨著一個長期以來的「雞和蛋」挑戰(zhàn)，即使它們有可能解決更高密度的問題。

「如果采用更嚴格的制程，可以達到更高的密度，但采用更嚴格的制程需要成本。」Handy 總結。