哪些新型存储技术未来市场潜力巨大？

每年，业界都投入大量精力开发新的存储器技术，并取得了巨大进步，推出了众多新产品和原型设计。然而，这些新型存储器，如MRAM（磁阻随机存取存储器）、ReRAM（阻变随机存取存储器）、FRAM（铁电随机存取存储器）和PCM（相变存储器）等，尚未实现广泛采用。那么，这背后的原因究竟是什么呢？这些存储器技术的当前进展如何呢？

对于那些对这些缩写不太熟悉的人来说，我们在此简要介绍一下。与当今主流的存储器技术——DRAM（动态随机存取存储器）、NAND闪存、NOR闪存、SRAM（静态随机存取存储器）以及EEPROM（电可擦可编程只读存储器）——以及它们的前身技术，如掩模ROM（只读存储器）和EPROM（可擦可编程只读存储器）一样，这些新型存储器的名称都源于其独特的存储机制。新型存储器的命名更加直接地反映了其工作原理，使得人们更容易理解其技术特点。

• MRAM利用磁性材料的特性来存储比特的状态，这种机制与硬盘相似，但MRAM没有硬盘中的任何移动部件。

• ReRAM则通过材料的电阻状态来存储比特信息。它通常表现为高电阻或低电阻两种状态，这两种状态的切换通常是通过金属细丝在绝缘体中的形成与断裂，或者氧离子在绝缘体中的迁移与聚集来实现的。

• FRAM的名称可能会让人产生误解，以为它是由铁制成的或具有铁磁性特性，但实际上并非如此。FRAM之所以得名，是因为其I/V（电流-电压）曲线的形状与磁滞回线的磁化强度与磁场关系相似。这些存储器通过在一个晶体内部移动一个原子来存储比特信息。

• 最后，PCM则利用材料的相态变化来存储比特信息。当材料从液态快速冷却固化时，它形成了一种高电阻的非晶态；而当材料以较慢的速度冷却固化时，它则形成了一种低电阻的晶态。

以上这些技术其实并非新近问世。FRAM已经面世超过70年，PCM的历史也超过了50载，但它们一直在等待时机，渴望能大规模进军存储器市场。

然而，这些非易失性存储器已经开始对市场产生影响。事实上，它们的市场份额正以惊人的速度增长。据预测，到2034年，这些新型存储器的收入将达到720亿美元。其比特增长速度甚至超越了现有技术，使得它们日益逼近当前由NAND闪存和DRAM所主导的存储领域（如下图所示）。

嵌入式存储器领域正经历重大变革

嵌入式存储器，即用于系统级芯片（SoC）中的存储器，包括微控制器、ASIC以及其他芯片，自20世纪80年代以来一直都使用NOR闪存，但这正在改变。

为什么会这样呢？因为随着14纳米FinFET技术的出现，闪存就不再是一个可行的选择了。当然，即使CMOS逻辑没有转向FinFET结构，平面闪存也已经不适用于14纳米制程。那么，当设计师想要使用片上非易失性存储器时，他们应该怎么办呢？

在短期内，他们将存储器移到了片外，并开始使用外部串行协议接口（SPI）NOR芯片来存储程序，在启动时将其加载到片上的SRAM缓存中。这种方法虽然有效，但增加了成本并占用了更多的空间。

嵌入式存储器，即那些被整合进系统级芯片（SoC）中的存储器组件，如微控制器、ASIC（专用集成电路）以及其他各类芯片之中。自20世纪80年代以来，NOR闪存一直是这些嵌入式存储器的首选方案。然而，这一格局正在悄然发生变化。

为什么会这样呢？因为随着14纳米FinFET技术的兴起，传统的闪存技术在工艺上遇到了难以逾越的障碍。即便CMOS逻辑电路没有转向FinFET结构，平面闪存也已经在14纳米及以下制程中显得力不从心。

面对这一困境，当设计师需要在SoC中集成非易失性存储器时，他们不得不寻找新的解决方案。在短期内，一种常见的做法是将存储器移至片外，采用外部串行协议接口（SPI）NOR芯片来存储程序代码，并在系统启动时将其加载到片上的SRAM缓存中。虽然这种方法有效，但同时也带来了额外的成本，并增加了系统的整体尺寸和复杂度。

更长期的解决方案是使用能够扩展至比NOR闪存28纳米工艺极限更小的存储器技术。目前，这类技术的代表就是MRAM和ReRAM，其中尤以MRAM为主。尽管未来格局或有所变动，但目前MRAM占据主导地位，并已广泛应用于许多可穿戴设备中，诸如健康监测和其他类似功能的设备。大型代工厂已将其纳入标准CMOS逻辑工艺的选项范畴，同时，更多具有前瞻视野的设计师亦在积极采纳，成效显著。

一个尤为突出的优势在于，SoC的片上固件能够关断存储器的电源，仅在必要时才进行唤醒，从而在非工作状态下实现显著的电源节省。这一特性为上述所有新型存储器技术所共有。

然而，更为深远的变革即将来临。与NOR闪存相似，SRAM同样面临缩放难题。其缩小速度未能与逻辑电路相匹配，这成为SRAM芯片按比例缩小以适应工艺技术发展的一大阻碍。随着时间推移，SRAM的成本不断攀升。

尽管新型存储器技术不受此缩放问题的制约，但其速度相较于SRAM有所不及。因此，系统设计者需审慎权衡，在芯片上配置适量的非易失性存储器（如MRAM、ReRAM、FRAM或PCM）与SRAM缓存，以达成既定的性能目标，这无疑是一项艰巨的任务。

缓存设计历来充满挑战，因为某些情境下，大容量但速度较慢的存储器相较于小容量但速度快的存储器更具优势。即便SRAM能够实现按比例缩小，这一问题依旧存在，因为新型存储器仅需一个晶体管即可运作，而SRAM则需六个。加之固件可根据存储器配置进行优化，鉴于诸多变量的存在，这无疑是一项极为复杂的挑战。

简而言之，嵌入式SRAM正面临被新型存储器取代的紧迫威胁，这一变革正迅速推进。它预示着处理器缓存中采用持久存储器的可能性，甚至有望大幅降低服务器能耗，为各类计算应用带来全新的面貌。

当前，MRAM占据主导地位，但ReRAM正蓄势待发，意图取而代之。目前尚无法断言ReRAM或MRAM哪一种将成为主流的新型非易失性存储器。然而，若FRAM或PCM取得任何突破性进展，亦有可能彻底改变这一格局。

FRAM和PCM情况如何？

FRAM自1952年起便已有悠久的历史，尽管其出货量远超其他所有新型存储器技术的总和，却并未获得应有的关注，这一现象着实令人惊讶，因其在公开讨论中鲜少被提及。

FRAM的写入能耗极低，这一特性使其广泛应用于火车车票卡中，其中车票卡上的信息仅在接收RFID信号询问时才进行更新。尽管FRAM在出货量上占据显著优势，但由于其芯片尺寸较小，导致该技术所消耗的晶圆数量相对较少。因此，相较于流行的存储技术（如DRAM和NAND闪存），业界对FRAM工艺的理解尚显不足。

然而，FRAM正逐步从可能污染晶圆厂的特殊材料转向更为常见且易于理解的氧化铪材料。尽管仍需克服一些挑战，但预计这些问题将及时得到解决。

至于PCM，同样是一项颇具潜力的技术，最初由Gordon Moore和Ron Neale于1969年在一篇论文中公开介绍，随后被英特尔、三星和意法半导体等公司生产并销售。该技术后来成为英特尔Optane产品背后的3D XPoint存储器的基础。然而，英特尔在为此投入近100亿美元后，最终决定停止进一步投入。

在推广Optane的过程中，英特尔生产的PCM晶圆数量超过了所有其他新兴存储器技术的总和。按理说，这一工艺应已得到充分的理解。

尽管如此，我们尚未观察到任何公司从英特尔获得该技术的授权，这不禁让人对其未来的应用前景产生疑虑。

离散（独立）存储器芯片的情况如何？

目前，MRAM、ReRAM和FRAM等离散存储器芯片主要局限于特定应用领域，原因在于其成本远高于主流存储技术几个量级。设想一下，若您向上司提出：“我设计了一种成本更高的存储器。”而上司询问“为何如此”时，您可能难以作答，除非您的系统应用于航天领域（新型存储器相较于标准存储器具有更强的抗辐射能力）或特定需求（如功耗）使得采用这种高成本存储器成为必要。

然而，一旦这些新兴存储器的成本降至与主流存储器相当，全球范围内的决策者都将质疑工程师为何未采用这些技术。

要将成本削减至主流水平，关键在于晶圆加工过程。

存储器对规模经济极为敏感。大规模生产的芯片，其最终成本可能会低于那些本应更廉价但尺寸较小的芯片，Intel的Optane便是一个例证。

何种因素能推动晶圆的高产量呢？嵌入式存储器或可成为解决之道。需铭记的是，核心不在于出货的位数或芯片的数量，而在于采用该技术加工的晶圆数量，而嵌入式存储器似乎正是这一趋势的起点。

存储器领域的最新动态

尽管新型存储器相关的报告所涵盖的范围更为广泛，但诸多事实已表明，这些新型存储器正逐步重塑计算领域的格局。

首先，领先的健身监测器制造商、助听器公司及其他专注于改变生活方式的设备厂商已开始探索将新型存储器作为其系统级芯片（SoC）中的嵌入式存储器。同时，鉴于这些存储器具备宽泛的工作温度范围和低功耗特性（只要其成本合理），它们在汽车应用领域也将备受瞩目，并正朝着这一目标稳步前进。

据悉，多年前，英特尔与美光科技（Micron）都曾尝试将FRAM融入DRAM设计中。自其中一位作者发表报告预测FRAM可能进军DRAM市场以来，已逾二十载。而今，相关准备工作正逐步就绪。

ReRAM领域同样动作频频。Weebit Nano正有条不紊地推进ReRAM技术的产业化进程，这或许表明，赢得市场的关键不仅在于技术的卓越，管理同样至关重要。

然而，在这场竞争中，胜负远未尘埃落定。当前，MRAM处于领先地位，ReRAM紧随其后。FRAM在氧化铪的广泛应用上占据优势，而若能有人全面接手英特尔在3D XPoint上的技术和专业知识，PCM或将成为一匹强劲的黑马。

如今，最为明智之举便是密切关注这一市场的发展动态，并随时准备采纳那些看似领先的技术。