MRAM、PCM和ReRAM，下一代的存储器会是谁？

　　导语

　　存储器芯片开发的主要挑战是面对日益增长的微处理器性能提高，如何保持同步提供高吞吐速度与较低功耗？面对挑战存储器制造商选择改变计算架构和移至更小的工艺节点生产。除此之外，很多业者也在寻找其他路径，研发更先进的存储器以替代当前的存储器。

　　研发中的新一代存储器可能会对未来的计算架构产生重大影响。经过许多年的研发，新一代存储器的种类正在不断增加，但仍有更多的新存储器在研发的路上。

　　今天我们已经看到有许多新一代存储器浮出水面，例如非易失性磁性随机存储器(MRAM)、相变存储器(PCM)和电阻式记忆存储器(ReRAM)。接下来的一些新存储器可能是这些存储技术的扩展，或者是基于全新的技术或体系结构的改变。例如有一种近内存或内存计算技术，会将计算任务带到内存周边或内存内部，可极大地提高计算效率。当然，这些存储器能否最终成功现在还很难下定论，但我们可以断定的是其中的某些技术很有前途，并有可能替代当今流行的DRAM、NAND和SRAM。

　　我们汇集了未来可能的新内存类型，它们是：

　　● FeFET或FeRAM：铁电体随机存取存储器，与DRAM类似，可以在读取操作中随机存取每个独立的位。FeFET存储器使用的是铁电材料，可以在两种极化状态之间快速切换。它可以在低功耗下提供高性能，同时还具有非易失性的附加优势，FeFET有望成为新一代闪存器件。Fraunhofer、格罗方德和NaMLab从2009年就开始了FeFET的研发，SK 海力士、Lam等也有相关的研发计划。

　　● 相变存储器：PCM是另一种高性能、非易失性存储器，基于硫属化合物玻璃。这种化合物有一个很重要的特性，当它们从一相移动到另一相时能够改变它们的电阻。与基于NAND的传统非易失性存储器不同，PCM器件可以实现几乎无限数量的写入。此外，PCM器件的优势还包括：访问响应时间短、字节可寻址、随机读写等，其也是诸多被称为能够“改变未来”的存储技术之一。英特尔、IBM、三星、美光科技和松下都已经开始PCM的布局。

　　● ReRAM：电阻式随机存取非易失性存储器。ReRAM关闭电源后存储器仍能记住数据。ReRAM可以由许多化合物制成，ReRAM的主要优势在于其可扩展性、CMOS兼容性、低功耗和电导调制效应，这些优点让ReRAM可以轻松扩展到先进工艺节点，能够进行大批量生产和供应。所有这些都使ReRAM成为下一代存储器的主要竞争者。未来将用于人工智能应用程序。Crossbar、东芝、Elpida、索尼、松下、美光、海力士、富士通等厂商都在开展ReRAM的研究和生产。在制造方面，中芯国际(SMIC)、台积电(TSMC)和联电(UMC)都已经将ReRAM纳入自己未来的发展线路图中。

　　● MRAM：非易失性的磁性随机存储器。以磁性方式存储数据，但使用电子来读取和写入数据。磁性特征提供非易失性，电子读写提供速度。MRAM拥有静态随机存储器(SRAM)的高速读取、写入能力，以及DRAM的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入。不过，当前的MRAM存储元件也有其明显的产品短板。很多嵌入式系统都必须在高温下运行，而高温往往会损害MRAM的数据保存能力。另外，MRAM的保持力、耐久性和密度也需要得到进一步的提升。对于STT-MRAM的商业产品，Avalanche Technology、Spin Memory和Everspin Technologies都在布局。格罗方德、英特尔和三星等都已经宣布将MRAM列入自己未来的产品计划中。

　　● 除此以外，还有自旋轨道转矩MRAM(SOT-MRAM)，旨在取代SRAM的下一代MRAM。纳米管RAM，纳米管RAM的研发已有多个年头了，皆在取代DRAM。也有人正在同一器件上开发碳纳米管等下一代存储器。

　　新一代存储器还有更多的努力是向垂直方向推进。例如， 3D SRAM，它将SRAM堆叠在逻辑上，作为平面SRAM的潜在替代品。

　　当这些新的存储器最终上市时，下一步会是什么业界很难下定论。“我们开始看到这些新兴的或下一代的存储器最终获得更多的吸引力，但它们仍处于早期开发阶段，”LAM Research的高级技术总监亚历克斯尹说。

　　当前和未来的下一代存储器还将面临着其他挑战。“随着新材料、存储概念和材料技术的出现，新的存储类型激增，” KLA首席顾问ScottHoover表示。“这在材料和结构表征领域提出了重大挑战。很有可能，技术进步和基本理解的节奏将取决于我们表征、测量、控制和改进独特材料和结构的能力。”

　　总而言之，当前和未来的下一代存储器可能会找到一个合适的位置，但它们不会主宰整个环境。Hoover说：“预计在未来5-10年内，新兴内存作为独立产品不会对现有NAND或DRAM市场造成重大阻碍。”

　　SRAM替代品

　　今天的系统集成了处理器、图像处理以及内存和存储，通常称为内存/存储层次结构。在当今层次结构的第一层，SRAM被集成到处理器中以实现快速数据访问。下一层DRAM是独立的，用于主内存。磁盘驱动器和基于NAND的固态存储驱动器(SSD)用于存储。

　　▲ 普适数据和计算源的新兴存储器(来源：应用材料)

　　DRAM和NAND正努力跟上系统的带宽和/或功率需求。DRAM很便宜，但它消耗能量，也不稳定，这意味着当系统断电时，它会丢失数据。同时，NAND价格低廉且不易失，它在系统关闭时保留数据。但NAND和磁盘驱动器速度很慢。

　　因此多年来，业界一直在寻找一种“通用内存”，这种内存具有与DRAM和FLASH相同的属性，可以取代它们。竞争对手是MRAM、PCM和ReRAM。新的存储器提出了一些大胆的主张。例如，STT-MRAM具有SRAM的速度和闪存的非波动性，具有无限的持久性。与NAND相比，ReRAM速度更快，比特可调。

　　“对于技术开发人员，我们一直在设想，有一天，某种类型的通用内存或杀手级内存将能够同时取代SRAM、DRAM和FLASH，”UMC产品营销总监David Hideo Uriu说。“下一代存储器仍然无法取代任何传统存储器，但它们可以结合存储的传统优势，满足利基市场的需求。”

　　一段时间以来，MRAM、PCM和ReRAM一直在出货，主要面向利基市场。因此，DRAM、NAND和SRAM仍然是主流存储器。

　　但在研发方面，行业正在研发一些新技术，包括潜在的SRAM替代品。一般来说，处理器集成了CPU、SRAM和各种其他功能。SRAM存储处理器快速需要的指令。这叫做一级缓存。在操作中，处理器会从一级缓存请求指令，但CPU有时会错过它们。因此处理器还集成了二级和三级缓存，称为二级和三级缓存。

　　多年来，业界一直在寻找SRAM的替代品。这些年来有好几个可能的竞争者。其中之一包括旋转传递扭矩的MRAM(STT-MRAM)。STT-MRAM具有SRAM的速度和闪存的非波动性，具有无限的持久性。

　　STT-MRAM是一种具有磁隧道结(MTJ)存储单元的单管结构。它利用电子自旋的磁性在芯片中提供不易挥发的特性。写入和读取功能在MTJ单元中共享相同的并行路径。

　　Everspin已经在为固态硬盘供应SST-MRAM器件。此外，一些芯片制造商正专注于嵌入式STT-MRAM，它被分为两个市场：嵌入式闪存替换和缓存。

　　为此，STT-MRAM正准备取代嵌入式NOR flash。此外，STT-MRAM的目标是取代SRAM，至少对于三级缓存。“STT-MRAM正朝着更密集地嵌入到SoCs的方向发展，在SoCs中，其较小的单元尺寸、较低的待机功耗要求和非易失性为更大且易失性强的SRAM提供了令人信服的价值主张，而SRAM则被用作通用的板载存储器和末级缓存，”Veeco沉积和蚀刻市场高级营销总监Javier Banos说。

　　▲ STT-MRAM的MJT细胞(资料来源：Lam Research)

　　但STT-MRAM的速度不足以取代一级和/或二级缓存的SRAM。还有一些可靠性问题。“我们相信，对于STT-MRAM，接入时间将在5ns到10ns之间饱和，”应用材料的Pakala说。“当您转到一级和二级缓存时，我们认为您需要转到SOT-MRAM。”

　　如今，SOT-MRAM最大的问题在于它只在50%的时间内进行切换，这就是为什么它仍处于研发阶段。“与SRAM相比，SOT-MRAM具有潜在的优势，如密度更高、功耗更低，因为它不易波动，”UMC的Uriu说。“需要将SOT-MRAM应用到具有成本效益的应用中，以满足有意愿的客户。”

　　事实上，SOT-MRAM还没准备好。这个行业需要两年或两年以上的时间才能确定它是否可行。

　　与此同时，在研发方面，其他潜在的SRAM替代品，即3DSRAM，也在进行中。在3DSRAM中，SRAM芯片堆叠在处理器上，通过硅通孔(TSVs)连接。

　　DRAM竞争者

　　与SRAM一样，业界多年来一直试图取代DRAM。在当今的计算架构中，数据在处理器和DRAM之间移动。但有时这种交换会导致延迟和功耗增加，有时称为内存墙。

　　DRAM在带宽需求方面落后了。另外，在今天的1xnm节点上，DRAM的扩展速度正在减慢。

　　“我们的应用需要大量内存。随着机器学习的发展，这个问题变得越来越严重。它们需要大量的存储”斯坦福大学电子工程和计算机科学教授SubhasishMitra说。“如果你能把所有的存储器都放在一个芯片上，会很美好。你不需要从芯片到DRAM，花费大量的精力和时间去访问内存。所以我们必须采取措施。”

　　这里有很多选择：坚持使用DRAM、替换DRAM、将DRAM堆叠到高带宽内存模块中，或者迁移到新的体系结构中。

　　好消息是DRAM并没有停滞不前，业界正在从今天的DDR4接口标准向下一代DDR5技术迁移。例如，三星最近推出了一款12GB的LPDDR5移动DRAM设备。在5500mb/s的数据速率下，该设备的速度是LPDDR4芯片的1.3倍。

　　不过，将很难同时替换DRAM和NAND。它们价格便宜，经过验证，可以处理大多数任务。此外，他们都有未来改进的路线图。“NAND还有5年多的时间和3代多的时间。未来5年，DRAM将缓慢扩张，”MKW Ventures Consulting的负责人MarkWebb表示。“我们有可靠的新的存储器，实际上是可用的以及可以出货的。这些正在增长和增强，但还没有到取代DRAM和NAND的时候。”

　　一种新的存储类型正在获得驱动力，即3D XPoint。3D XPoint是英特尔于2015年推出的一种基于PCM的技术。PCM用于固态显示器(SSDs)和DIMMs，它将信息存储在非晶和晶相中。

　　但英特尔在这项技术上迟到了。英特尔正在推出带有3D XPoint的固态硬盘。“我在2015年做了一个预测，基于这样一个假设，即英特尔将在2017年前推出DIMM。他们最终直到2019年才这么做，”客观分析公司分析师Jim Handy表示。

　　尽管如此，英特尔的3D XPoint器件采用双层堆叠结构，采用20nm的工艺，拥有128千兆的密度。MKW的Webb说：“这是一个很好的持久性内存，但它不能取代NAND或DRAM。”

　　现在，英特尔和美光正在开发下一个版本的PCM，将于2020年面世。据Webb介绍，下一代3D Xpoint可能基于20nm工艺技术，但它可能有四个堆栈。“我们希望它的密度增加两倍。今天是128GB，我们预计下一代将达到256GB。”

　　当PCM正在加速发展时，诸如铁电FETs(FeFETs)等其他技术仍在研发中。“在FeFET存储单元中，铁电绝缘体被插入标准MOSFET器件的栅极堆栈中，”铁电存储器(FMC)首席执行官Stefan Müller解释道。

　　FMC和其他公司正在开发嵌入式和独立FeFET器件。嵌入式FeFET将集成在控制器中。独立器件可能成为新的内存类型或DRAM替换。“FeRAM是一个很好的替代品，它比DRAM消耗的能量要少得多。但可靠性需要提高，”LAM的Yoon说。

　　与此同时，多年来，Nantero公司一直在为嵌入式和DRAM替代开发碳纳米管RAM。碳纳米管是柱状结构，具有很强的导电性。在研发阶段，Nantero的NRAMs比DRAM和非易失性FLASH更快。但这比预期的商业化时间要长。

　　富士通是NRAMs的第一个客户，预计将在2019年出样品，2020年投产。

　　碳纳米管正在向其他几个方向发展。2017年，DARPA推出了几个项目，包括3DSoC。麻省理工学院、斯坦福大学和Skywater是3DSoC项目的合作伙伴，该项目的目标是开发一个单片3D器件，ReRAM被堆叠在碳纳米管逻辑之上。ReRAM是基于电阻元件的电子开关。

　　这项技术仍处于研发阶段，它并不是DRAM的替代品。相反，它属于所谓的计算内存类别。目标是使内存和逻辑功能更接近，以缓解系统中的内存瓶颈。

　　人工智能存储

　　在多年的工作中，ReRAM曾经被吹捧为NAND的替代品。但是NAND的扩展比以前想象的要远，导致许多人重新定位。

　　今天，一些人正在研究嵌入式ReRAM。其他人正在为面向利基的应用开发独立的ReRAM。从长远来看，ReRAM正在拓展其视野。它的目标是人工智能应用或DRAM的替代品，或者两者兼而有之。

　　一家名为Crossbar的ReRAM公司正在开发一种可能取代DRAM的独立器件。这涉及到一个带有ReRAM和逻辑的类似Crossbar的架构。

　　“在与客户(尤其是在数据中心)交谈之后，最大的痛点是DRAM，而不是NAND。“这是因为功耗和成本，” Crossbar负责战略营销和业务发展的副总裁Sylvain Dubois说。“对于高密度的独立应用，我们的目标是在数据中心为读取密集型应用更换DRAM。DRAM的密度是原来的8倍，成本降低了约3到5倍，这大大降低了TCO，同时也大大节省了超大规模数据中心的能源。”

　　Crossbar的ReRAM技术也是机器学习的目标。机器学习涉及神经网络。在神经网络中，系统处理数据并识别模式。它匹配某些模式并学习其中哪些属性是重要的。

　　Crossbar的ReRAM技术也是机器学习的目标。机器学习涉及神经网络。在神经网络中，系统处理数据并识别模式。它匹配某些模式并学习其中哪些属性是重要的。

　　神经形态计算也使用神经网络。为此，先进的ReRAM正试图在硅中复制大脑。我们的目标是利用精确定时的脉冲模拟信息在器件中的移动方法，在这一领域，特别是在材料方面，有很多研究正在进行中。

　　“最大的问题是需要做什么才能真正实现这一目标，”Brewer Science半导体业务执行董事SrikanthKommu说。“围绕材料能否在这一领域有所作为，有很多研究。现在，一切还不确定。”

　　材料有两个方面。一个是速度和耐用性，第二个问题涉及可制造性和缺陷性，这两个因素都会影响产量和最终成本。“其中很多都是基于公差和缺陷，”Kommu说。“如果缺陷率是100，你需要每两年改进70%。”

　　随着AI/ML的采用和推广，出于功能和性能方面的原因，人们对神经形态结构的兴趣与日俱增。Leti和Reram的初创公司Weebit Nano最近展示了一种神经形态计算，他们在系统中执行对象识别任务。

　　演示使用了Weebit的Reram技术，运行推理任务使用了Spiking神经网络算法。“人工智能正在迅速发展，“ Weebit首席执行官CobyHanoch表示，“我们看到了人脸识别、自动驾驶汽车以及医疗预测等领域的应用。

　　结论

　　STT-MRAM还提出了一个DRAM替代方案。但是，STT-MRAM或其他新的存储器不会改变DRAM或NAND目前的地位。

　　不过，下一代的存储器还是值得关注的。到目前为止，它们还没有打破现有行业的平衡。但在不断变化的存储器市场上，它们正在削弱现有的存储器公司。“我们正处在一个拥有新兴内存技术的地方，这场竞赛还没有赢得胜利，”Objective Analysis的Handy给出了这样的结论。