MRAM/ReRAM/FRAM/3D XPoint，谁是下一代存储器？

经过多年的研发后，几种新一代存储器类型正在崛起。今天，如3D XPoint、MRAM，相变存储器（PCM）和ReRAM，都在不同程度上发货。下一代存储器中，一部分是它们的扩展，一部分是基于全新技术或涉及架构的变更，例如近距离或内存计算。但是，将其中任何一个推出研发都需要克服许多技术和业务障碍，并且所有这些障碍都不太可能成功。但有些是特别有希望的，可能有望取代今天的DRAM，NAND和SRAM。

那么，下一代存储器类型包括什么呢？

FeFET或FeRAM：下一代铁电存储器。

纳米管RAM：在研发方面，纳米管RAM的目标是取代DRAM。

相变存储器：在发布第一批PCM设备后，英特尔正在准备新版本。

ReRAM：未来的版本定位于AI应用程序。

自旋轨道转矩MRAM（SOT-MRAM）：旨在取代SRAM的下一代MRAM。

在垂直方向上进行了额外的努力。例如，一些人正在开发3D SRAM，它将逻辑上的SRAM堆叠为平面SRAM的潜在替代品。

“我们开始看到这些新兴或下一代存储器表现出足够大的吸引力，但它们仍处于早期发展阶段，” Lam Research的高级技术总监Alex Yoon说。“SOT和FeRAM很有前景。但是，是否需要它将更多地取决于经济学。“

另一方面，下一代存储器正面临着诸多挑战。“新材料，存储概念和材料技术的新存储类型爆炸式增长，” KLA 主要产量顾问Scott Hoover说。“这在材料和结构表征领域提出了重大挑战。我们很有可能通过我们表征，测量，控制和改进独特材料和结构的能力来控制技术进步和基本理解的节奏。“

总而言之，当前和未来的下一代存储器可能会找到一个利基市场，但它们不会占据主导地位。“未来5到10年内，作为独立产品，新兴内存预计不会对现有的NAND或DRAM市场造成重大影响，”Hoover说。

替换SRAM的方式

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

普适数据和计算资源的新兴内存：应用材料

DRAM和NAND正在努力跟上系统的带宽和/或功耗要求。DRAM很便宜，但耗电。DRAM也是易失性的，这意味着当系统中的电源关闭时它会丢失数据。与此同时，NAND价格便宜且非易失性，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，业界一直在寻找具有与DRAM和NAND相同属性的“通用存储器”，并且可以取代它们。竞争者是MRAM，PCM和ReRAM。新的存储器带来了一些大胆的主张。例如，STT-MRAM具有SRAM的速度和闪存的无波动性，具有无限的耐用性。与NAND相比，ReRAM具备速度快，bit可变等特性。

然而，今天该行业仍在寻找通用记忆。“对于技术开发人员来说，我们一直在想象有一天，某种类型的通用内存将同时取代SRAM，DRAM和闪存，” 联华电子 产品营销总监David Hideo Uriu表示。“下一代存储器仍然无法取代任何传统存储器，但它们可以结合传统的记忆优势来满足对利基市场的需求。”

一段时间以来，MRAM ，PCM和ReRAM一直在出货，主要是针对利基市场。因此DRAM，NAND和SRAM仍然是主流存储器。

但在研发方面，业界正在研究几种新技术，包括潜在的SRAM替代品。通常，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。这称为1级高速缓存。在操作中，处理器将询问L1高速缓存的指令，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。

基于SRAM的L1缓存速度很快，延迟不到一纳秒，但SRAM在芯片上占用太多空间。“SRAM在单元尺寸方面面临挑战。当您扩展到7nm时，单元尺寸为500F2，“应用材料公司记忆组的常务董事Mahendra Pakala说。

多年来，业界一直在寻求取代SRAM。其中之一包括自旋转移力矩MRAM （STT-MRAM）。STT-MRAM具有SRAM的速度和闪存的无波动性，具有无限的耐用性。

STT-MRAM的MJT细胞。资料来源：Lam Research

STT-MRAM是具有磁隧道结（MTJ）存储器单元的单晶体管架构。它利用电子自旋的磁性在芯片中提供非挥发性特性。写入和读取功能在MTJ单元中共享相同的并行路径。

Everspin已经为SSD提供SST-MRAM设备。此外，一些芯片制造商正专注于嵌入式STT-MRAM，它分为两个市场，嵌入式闪存替代和缓存。

为此，STT-MRAM正准备取代嵌入式NOR闪存芯片。此外，STT-MRAM旨在取代SRAM，至少用于L3缓存。“STT-MRAM正在不断发展，以更密集地嵌入到SoC中，其更小的单元尺寸，更低的待机功率要求和非易失性提供了一个引人注目的价值主张，针对用作通用板载存储器和最后级别的大得多且易变的SRAM缓存，“ Veeco 先进沉积和蚀刻营销总监Javier Banos说。

但STT-MRAM的速度还不足以取代SRAM用于L1和/或L2缓存，还包括稳定性。“我们相信STT-MRAM，访问时间将在5ns到10ns之间饱和，”Applied的Pakala表示。“当你进入L1和L2缓存时，我们相信你需要去SOT-MRAM。”

类似于STT-MRAM，SOT-MRAM仍处于研发阶段。不同之处在于，SOT-MRAM在器件下集成了SOT层。根据Imec，它通过在相邻的SOT层中注入面内电流来引起层的切换。

“当你切换STT-MRAM，需要通过MTJ推动当前，”阿尔诺Furnemont，在内存主任IMEC。“在SOT-MRAM中，你有两条路径，一条用于写入，另一条用于读取。读取就像STT。你通读了MTJ。写不是通过MTJ。这是一个很大的好处，因为您可以循环设备并对其进行优化以延长使用寿命。第二大优势是速度。“

今天，SOT-MRAM的最大问题是它只能在50％的时间内切换，这就是它仍处于研发阶段的原因。“与SRAM相比，SOT-MRAM具有潜在的优势，例如由于其非挥发性而具有更高的密度和更低的功耗，”UMC的Uriu说。“SOT-MRAM需要与有意愿的客户一起实施到具有成本效益的应用程序中。”

为了解决这个问题，Imec开发了一种“无场切换”SOT-MRAM。Imec在硬掩模中嵌入铁磁体，形成SOT轨道。这样可以在低功率下快速切换。

SOT-MRAM还没准备好，事实上，在行业确定它是否可行之前还需要两年或更长时间。

与此同时，在研发方面，其他潜在的SRAM替代品即3D SRAM也在进行中。在3D SRAM中，SRAM管芯堆叠在处理器上并使用硅通孔 （TSV）连接。

3D SRAM缩短了处理器和SRAM之间的互连距离，但至于3D SRAM是否可行，答案只能交给时间。

替换DRAM的方式

像SRAM一样，业界多年来一直在努力取代DRAM。在今天的计算架构中，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，有时也称为内存墙。

DRAM在带宽需求方面落后了。此外，DRAM缩放在今天的1xnm节点上正在放缓。

“我们的应用程序需要大量内存。机器学习应用程序使这个问题变得更糟。它们需要大量的内存，“ 斯坦福大学 电子工程和计算机科学教授Subhasish Mitra说。“如果你能把所有的内存都放在芯片上，那是不可思议的。您不必将芯片转移到DRAM并花费大量精力和时间来尝试访问内存。所以我们必须对此采取一些措施。“

这里有很多选择：坚持使用DRAM、取代DRAM、将DRAM堆叠成高带宽内存模块，或者转向新的架构。

好消息是DRAM并没有停滞不前，业界正在从今天的DDR4接口标准转向下一代DDR5技术。例如，三星最近推出了一款12Gb LPDDR5移动DRAM设备。该器件的数据速率为5,500Mb / s，比LPDDR4芯片快1.3倍。

不过，除了DDR5 DRAM之外，原始设备制造商还将拥有其他内存选择。JEDEC（JC-42.4）的一个工作组正在开发一种新的DDR5 NVRAM规范，该规范最终将使OEM能够将各种新的存储设备放入DDR5插槽而无需修改。“NVRAM规范包括碳纳米管存储器，相变存储器，电阻RAM和理论上的磁性RAM，”Nantero的首席系统架构师Bill Gervasi说。“我们统一了所有的架构。”

此规范可以使系统中更容易使用新的内存类型，这也是取代DRAM的一种方式。

但是，很难取代DRAM和NAND。它们便宜，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已有5年多的时间和3代以上的产品。DRAM将在未来5年内缓慢扩展，“MKW Ventures Consulting负责人Mark Webb表示。“我们拥有实际可用和运输的坚实新记忆。这些将成长并扩大而非取代DRAM和NAND。“

与之同时，一种新的存储器正在获得动力，即3D XPoint。3D XPoint于2015年由英特尔推出，基于一项名为PCM 的技术。PCM用于SSD和DIMM，以非晶和结晶相存储信息。

目前，英特尔正在发售带有3D XPoint的SSD。尽管如此，围绕两层堆叠架构，英特尔的3D XPoint器件采用20nm几何尺寸，具有128千兆位密度。“这是一个伟大的存储器，但它并没有取代NAND或DRAM，”MKW的韦伯说。

现在，英特尔和美光正在开发将于2020年推出的下一代PCM版本。根据韦伯的说法，下一代3D XPoint可能会基于20纳米制程技术，但可能有四个堆叠。“我们希望它的密度是密度的两倍。今天，它是128Gbit。我们期待下一代256Gbit，“他说。

随着PCM的不断发展，其他技术如铁电FET （FeFET）仍处于研发阶段。“在FeFET存储单元中，铁电绝缘体插入标准MOSFET器件的栅极堆叠中，”铁电存储器（FMC）首席执行官StefanMüller解释道。

“与目前使用的标准电介质HfO 2相比，铁电HfO 2显示出永久偶极矩，它以非易失性方式改变晶体管的阈值电压，”Müller说。“通过适当选择读出电压，可以通过晶体管流过高电流或低电流。”

FMC和其他公司正在开发嵌入式和独立的FeFET器件。嵌入式FeFET将集成在控制器中。独立设备可以成为新的存储器类型或DRAM替代品。“FeRAM是一种很好的选择，它使用的能量远低于DRAM。但耐力需要提高，“Lam's Yoon说。

目前尚不清楚FeFET的发展方向，但这里存在一些挑战。“基于铁电HfO 2的存储器单元可显示超过250°C的数据保持，循环耐久性> 10 10次循环，10ns范围内的写入/读取速度，fJ能量消耗以及超出finFET技术节点的可扩展性，”FMC的Müller说。“目前的挑战是将这些指标合并到一个存储设备中，并且并行地合并到数百万个存储单元的阵列中，并且这些存储单元中的每一个必须或多或少地相同地执行。”

同时，多年来，Nantero一直在开发用于嵌入式和DRAM替代应用的碳纳米管RAM。碳纳米管是圆柱形结构，其坚固且导电。仍处于研发阶段，Nantero的NRAM比DRAM更快，非易失性如闪存。但这需要比预期更长的商业化时间。

富士通是NRAM的第一个客户，预计将于2019年对部件进行采样，预计将于2020年进行生产。

碳纳米管正朝着其他方向移动。2017年，DARPA推出了多个计划，包括3DSoC。麻省理工学院，斯坦福大学和SkyWater是3DSoC计划的合作伙伴，该计划旨在开发将ReRAM堆叠在碳纳米管逻辑之上的单片3D设备。ReRAM基于电阻器元件的电子开关。

仍处于研发阶段，该技术不是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。

斯坦福大学的米特拉说：“你必须考虑进入第三个维度。” “否则，你怎么把所有东西放在芯片上？”

目前，3DSoC器件是一种双层3D结构，将ReRAM置于碳纳米管逻辑上。一个四层设备将在年底前到期。目标是到2021年开始生产并提供多项目晶圆运行。

最近，该集团已将该技术转让给SkyWater。代工厂商计划在200mm晶圆上使用90nm工艺制造器件。“3DSoC架构包括基于碳纳米管的晶体管层。它们采用n和p两种类型制造，以制造CMOS晶体管技术，“SkyWater首席技术官Brad Ferguson说。“这可以与其他层的ReRAM存储器结合使用，其中包括一个基于CNT的存取晶体管。”

在工厂中，使用沉积工艺形成碳纳米管。挑战在于纳米管在该过程中易于变化和错位。

“我们看到的主要挑战和需要克服的途径包括三个主要方面。首先是碳纳米管的纯度。源材料中的碳纳米管存在很多变化。该计划的一部分是提高源材料的纯度，以便我们获得高纯度的单壁半导体碳纳米管，“Ferguson说。“第二和第三个挑战涉及晶体管的集成，关系到晶体管性能的可变性和稳定性。“

“事实是，我们可以在90纳米上展示这项技术后缩小这项技术。这与该计划的既定目标相结合，即超越7nm平面技术。这意味着如果程序成功，它可以在复杂性，性能和成本方面重置不同曲线上的节点缩放，“他补充说。

AI内存

多年来，ReRAM 一直被吹捧为NAND替代品。但是NAND的扩展比以前想象的还要大，导致很多人重新定位ReRAM。

今天，有些人正在研究嵌入式ReRAM。其他人正在为面向小众的应用开发独立的ReRAM。从长远来看，ReRAM正在扩大其视野。它针对AI应用程序，DRAM替代品或两者兼而有之。

一家ReRAM公司Crossbar正在开发一种可能取代DRAM的独立设备。这涉及具有ReRAM和逻辑的类似crossbar的架构。

“在与客户交谈之后，特别是在数据中心，最大的痛点是DRAM，而不是NAND。由于能源消耗和成本，这是DRAM，“Crossbar战略营销和业务开发副总裁Sylvain Dubois说。“对于高密度独立应用，我们的目标是在数据中心更换DRAM以用于读取密集型应用。DRAM的密度为8倍，成本降低约3倍至5倍，这大大降低了TCO，同时在超大规模数据中心节省了大量能源。“

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 ，系统会处理数据并识别模式。它匹配某些模式并了解哪些属性很重要。

ReRAM针对更高级的应用程序。“有很多机会以新颖的方式使用ReRAM，例如模拟计算和神经形态计算，但这更多是在研究阶段，”Dubois说。

神经形态计算 也使用神经网络。为此，先进的ReRAM试图在硅中复制大脑。目标是使用精确定时脉冲模拟信息在设备中移动的方式，并且该领域正在进行大量研究，特别是在材料方面。

“最大的问题是需要做些什么来真正实现它，” Brewer Science 半导体业务执行董事Srikanth Kommu说。“关于材料是否可以在这一领域发挥作用，有很多研究。现在，我们不确定。“

材料有两个方面。一个涉及速度和耐久性。第二个涉及可制造性和缺陷性，这两者都会影响产量和最终成本。“很多都是基于宽容和缺陷，”Kommu说。“如果缺点是100，那么你每两年需要70％的改进。”

由于功率和性能原因，AI / ML的采用和传播使人们对神经形态架构的兴趣不断增加。Leti和ReRAM创业公司Weebit Nano最近展示了一种神经形态计算，他们在系统中执行了对象识别任务。

该演示使用了Weebit的ReRAM技术，运行推理任务使用尖峰神经网络算法。“人工智能正在迅速扩大。Weebit的首席执行官Coby Hanoch说，我们正在看到人脸识别，自动驾驶汽车以及医疗领域中的应用。

结论

STT-MRAM也被提议作为DRAM替代品，但STT-MRAM或其他新存储器不会完全取代DRAM或NAND。

然而，当前和未来的存储器都值得关注，他们正在对瞬息万变的内存市场中产生影响。我们正处于一个拥有多个新兴内存技术的时代，但下一代存储器却还未脱颖而出。

文章来源: https://www.toutiao.com/group/6725405371814396428/