導讀:雖然我國在傳統(tǒng)存儲器布局落后很多,但在下一代存儲器技術(shù)早已戰(zhàn)略布局。幾年前更有二十幾位中科院院士聯(lián)名支持發(fā)展磁變存儲器(MRAM),我國科研力量在未來存儲器的產(chǎn)業(yè)技術(shù)競爭會扮演相當重要的角色。
物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展熱潮將推升存儲器需求。行動裝置、汽車、工業(yè)等機器對機器(M2M)裝置對固態(tài)硬盤需求持續(xù)攀升,加上嵌入式系統(tǒng)因應(yīng)大數(shù)據(jù)資料來臨,對存儲器容量的要求也翻倍成長,這些都可望帶動各種嵌入式存儲器出貨量一路長紅。但以海量數(shù)據(jù)存儲為主要載體的物聯(lián)網(wǎng)對存儲器提出了低成本、低功耗、高容量、高速度、高可靠性的要求。尋找一種最具有競爭力和發(fā)展?jié)摿Φ姆菗]發(fā)性存儲器,緊迫且意義重大。
對于信息存儲產(chǎn)品的性能有了更高要求后,迫切需要在存儲材料和技術(shù)方面取得突破。在這些需求的驅(qū)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)、磁變存儲器(MRAM)、阻變存儲器(RRAM)。
磁變存儲器(MRAM)是一種非揮發(fā)性存儲器技術(shù),也就是當電流關(guān)掉,所儲存的資料并不會消失的存儲器。磁變存儲器最有潛力的代表是自旋轉(zhuǎn)移力矩磁變存儲器(STT MRAM)。既有動態(tài)隨機存儲器(DRAM)和靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)的高性能,又能兼顧閃存的低功耗優(yōu)勢。存儲單元主體為磁性隧道結(jié)(MTJ),有上下兩層磁性材料(如:鈷鐵合金)和中間的絕緣夾層(如:氧化鎂)所組成。其中一層為固定磁性層,另一層為自由磁性層。工作原理是由磁場調(diào)制上下兩層磁性層的磁化方向成為平行或反平行,從而建立兩個阻值各異的穩(wěn)定狀態(tài)。
磁變存儲器(MRAM)自1990年代開始發(fā)展,這項技術(shù)在學理上的存取速度接近SRAM,具快閃存儲器的非揮發(fā)性特性,在容量密度及使用壽命上也不輸給DRAM,平均能耗遠低于DRAM,未來極具成為真正通用型存儲器潛力。但由于采用了大量的新材料、新結(jié)構(gòu),量產(chǎn)難度極大。
相變存儲器(PRAM)可在芯片供電中斷時保存數(shù)據(jù),與普通閃存的工作原理相同。但PRAM寫入數(shù)據(jù)的速度要比快閃存儲器快30倍,其壽命周期也將至少提高十倍。
相變存儲器是基于材料相變引起電阻變化的存儲器。結(jié)構(gòu)上有電阻加熱器和相變層所組成。通入重置(RESET)寫電流后,電阻加熱器使得相變層溫度迅速升高,在達到相變層熔點后較短時間內(nèi),關(guān)閉寫電流,使得材料快速冷卻,此時固定在非晶態(tài),為高阻態(tài)。為了使相變層材料重新回到晶態(tài),需要通入設(shè)置(SET)電流,相變層需要被加熱到結(jié)晶溫度和熔化溫度之間,使得晶核和微晶快速生長。目前相變層材料的研究集中在GST系合金。由于重置寫電流較大,相變存儲器的功耗較高,另外寫電流時間較長,寫速度較慢。尋找新型相變材料來降低寫電流,同時加快寫速度和減少熱擾動成為急需解決的難題。
阻變存儲器(RRAM)同樣是一種新型的非揮發(fā)性存儲器,其優(yōu)點在于消耗電力較NAND低,且寫入資訊速度比NAND快閃存儲器快了1萬倍。
阻變存儲器作為最重要的下一代新型存儲器,近十幾年來受到高度關(guān)注。阻變存儲器具有結(jié)構(gòu)簡單、高速、低功耗和易于三維集成等優(yōu)點。存儲單元結(jié)構(gòu)為上電極和下電極之間的電阻變化層。根據(jù)電阻變化層的材料,阻變存儲器可分為氧化物阻變存儲器和導電橋接存儲器。前者研究較為廣泛,國際上已有數(shù)家公司展示了原型產(chǎn)品。
新一代存儲器道阻且長
事實上,磁變存儲器(MRAM)、阻變存儲器(RRAM)與相變存儲器(PRAM)等技術(shù)并非近年來的產(chǎn)物,早在1990年代,就有廠商開始投入研發(fā),而促使新世代存儲器發(fā)展在近年來露出曙光的原因,正是進入高速運算時代,存儲器技術(shù)演進速度出現(xiàn)跟不上系統(tǒng)效能演進速度所導致。
1995年摩托羅拉公司演示了第一個MRAM芯片,并生產(chǎn)出了1MB的芯片原型。
2007年,磁記錄產(chǎn)業(yè)巨頭IBM公司和TDK公司合作開發(fā)新一代MRAM,使用了一種稱為自旋扭矩轉(zhuǎn)換(spin-torque-transfer , STT)的新型技術(shù),利用放大了的隧道效應(yīng)(tunnel effect),使得磁致電阻的變化達到了1倍左右。TDK于2014年首次展出了自旋轉(zhuǎn)移力矩磁變存儲器的原型,容量為8Mb,讀寫速度是當時NOR的7倍多(342MB/sVS48MB/s)。
Everspin是目前唯一一家出售此類產(chǎn)品的公司,去年開始可以提供密度高達256Mb的磁變存儲器樣品。
2000年以來,Intel、美光、ST都致力于相變存儲器的研發(fā),美光于2012年宣布1Gb和512Mb的相變內(nèi)存的首次量產(chǎn),但是可能替代閃存的大容量相變存儲器由于各種技術(shù)原因,目前尚未問世。
2013年,松下發(fā)布了世界上第一個用于嵌入式應(yīng)用的阻變存儲器。它集成了一個180nm的阻變存儲器器件和一個8位控制器。
2015年初,Crossbar(美國)宣布其阻變存儲器開始進入商業(yè)化階段,初期準備面向嵌入式市場,同時正加速進行容量更大的下一代阻變存儲器研發(fā),預計于2017年面世。目前Crossbar 阻變存儲器已經(jīng)制備了40nm產(chǎn)品并已經(jīng)向2x nm邁進,實現(xiàn)更高密度和更緊密集成的的器件。
美光和索尼也在開展阻變存儲器的聯(lián)合研發(fā)。從2007年起,每年半導體鄰域的幾個重要國際會議(如IEDM和VLSI)均會報道最新的研發(fā)進展。2014年美光公布了27nm基于CMOS工藝制造的單顆容量16Gb阻變存儲器原型,但目前距離量產(chǎn)仍有較大距離。大規(guī)模量產(chǎn)的最大挑戰(zhàn)是實現(xiàn)較好的均勻性,提高產(chǎn)品良率和可靠性。另外,多位存儲的要求對電阻變化層的材料也提出了嚴峻的考驗。大規(guī)模提高阻變存儲器容量,需要材料和結(jié)構(gòu)的進一步優(yōu)化和創(chuàng)新。
半導體巨頭下注新一代存儲器
除了高速運算與數(shù)據(jù)中心的儲存需求以外,物聯(lián)網(wǎng)需要的非揮發(fā)性存儲器,也就是即時資料儲存需求,牽涉到物聯(lián)網(wǎng)需要低能耗、數(shù)據(jù)耐久度高、每次寫入或存儲的資料單位小等層面。
全球半導體巨擘正在下一代新型存儲器市場展開強力競爭,這很可能全面改變半導體市場的發(fā)展前景,并成為未來半導體代工的主要業(yè)務(wù)之一。
雖然磁變存儲器(MRAM)在先前的技術(shù)節(jié)點展現(xiàn)了非揮發(fā)性、高可靠性以及可制造性,磁變存儲器在長期看來會是較受歡迎的技術(shù)。但在微縮至2x nm節(jié)點以及相容嵌入式存儲器的后段制程(BEOL)溫度時開始面臨挑戰(zhàn)。
阻變存儲器(RRAM)和磁變存儲器(MRAM)具有類似的功能,二者都是后段校準的存儲器,因而能更易于落實于邏輯制程中。RRAM的堆疊更簡單,因為在電極之間所需的材料較少。而且它并不需要像MRAM一樣的設(shè)備投資。
雖然阻變存儲器和相變存儲器等其他類型的存儲器也都有其支持者,但這些存儲器都存在著微縮的問題,難以因應(yīng)28nm CMOS制程的要求。
三星電子正大力發(fā)展MRAM存儲器,而另一半導體巨擘英特爾則是強攻含3D XPoint技術(shù)的PRAM型存儲器。臺積電目前已具備「量產(chǎn)」MRAM及阻變存儲器(RRAM)等新型存儲器之技術(shù)。
嵌入式存儲器在半導體芯片中的作用非常重要,它向整個芯片提供的可互用特性決定了整個芯片的效率、速度和性能。只有設(shè)計方法可靠,才能設(shè)計出優(yōu)良的存儲器。
目前三星電子正大力發(fā)展eMRAM存儲器,三星的28nm FD-SOI(Fully Depleted Silicon on Insulator)制程有eMRAM 的選項,其中eMRAM的風險生產(chǎn)為2018年;而18nm的FD-SOI制程的風險生產(chǎn)將始于2020年,也有eMRAM的選項。歐洲最大半導體廠商-恩智浦半導體已經(jīng)決定采用三星電子的eMRAM存儲器,以應(yīng)用在相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)裝置之上。
臺積電發(fā)布在2018年下半年于28nm制程中生產(chǎn)eMRAM。而GlobalFoundries也發(fā)布,計劃在2017年于22nm FD-SOI制程上提供eMRAM,2018年進入量產(chǎn)。
我國戰(zhàn)略布局新一代存儲器
雖然我國在傳統(tǒng)存儲器布局落后很多,但在下一代技術(shù)存儲器早已戰(zhàn)略布局。幾年前更有二十幾位中科院院士聯(lián)名支持發(fā)展MRAM。我國科研力量在未來存儲器的產(chǎn)業(yè)技術(shù)競爭會扮演相當重要的角色。
中科院上海微系統(tǒng)所就與中芯國際共同組建了研究團隊,搭建起8至12英寸相變存儲研發(fā)平臺,并建立了一套完整的芯片開發(fā)組織和技術(shù)推進管理制度。2011年8月31日,首次完成我國第一批基于8Mb相變存儲器的產(chǎn)品芯片。目前由該所研發(fā)的國際領(lǐng)先的嵌入式相變存儲器現(xiàn)已成功應(yīng)用在打印機領(lǐng)域,并實現(xiàn)千萬量級市場化銷售。
中科院微電子所集成電路先導工藝研發(fā)中心研究員趙超與北京航空航天大學教授趙巍勝的聯(lián)合團隊通過3年的艱苦攻關(guān),在STT-MRAM關(guān)鍵工藝技術(shù)研究上實現(xiàn)了重要突破,在國內(nèi)首次采用可兼容CMOS工藝成功制備出直徑80nm磁隧道結(jié),器件性能良好,其中器件核心參數(shù)包括隧穿磁阻效應(yīng)達到92%,可實現(xiàn)純電流翻轉(zhuǎn)且電流密度達到國際領(lǐng)先水平。
我國目前有兩家MRAM公司,上海磁宇以及中電海康。今年一月,中電海康位于臨安的存儲芯片MRAM研發(fā)及小規(guī)模試產(chǎn)中試基地專案開工,投資金額為13億人民幣,占地50畝,計劃今年9月投用;中試運營成功穩(wěn)定后,將彌補國內(nèi)在新一代存儲芯片MRAM領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化的空白。
小結(jié):磁變存儲器(MRAM)等下一代存儲器,雖然短期內(nèi)不太可能取代現(xiàn)有的存儲器,但我們在這些技術(shù)研發(fā)上再不能錯過機遇。我國已在下一代技術(shù)存儲器的戰(zhàn)略布局,使得我們未來可以參與到新一代存儲器競爭行列中,避免國外廠商的全面壟斷。
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