目前市場(chǎng)上和各種不同非易失性挑戰(zhàn)的重新RAM技術(shù)，NRAM等各方面的優(yōu)點(diǎn)，也面臨著不同的挑戰(zhàn)。本文羅列了PCRAM、eMVM、技術(shù)，并探討了它們對(duì)溫度、無線性能等解決方案在芯格中介紹了高級(jí)驅(qū)動(dòng)的Martin Mason解決方案中介紹了MRAM問題技術(shù)。于物聯(lián)網(wǎng)微控制器、汽車應(yīng)用、人工智能等對(duì)低要求、有要求的應(yīng)用領(lǐng)域。請(qǐng)見。

雖然 PCRAM、MRAM、ReRAM 和 NRAM 等各種 NVM 技術(shù)具有相似的高級(jí)特征，但它們的物理渲染卻大相徑庭。這為每個(gè)人提供了自己的一系列挑戰(zhàn)和解決方案。

PCRAM的歷史令人擔(dān)憂。它最初由三星、美光和 ST 發(fā)布，隨后出于可靠性原因從市場(chǎng)上撤下，然后重新推出。

熱量仍然是PCRAM的主要問題。PDF Solutions高級(jí)研究員兼參與總監(jiān) Tomasz Brozek 表示，雖然內(nèi)存是熱穩(wěn)定的并且可以處理高溫應(yīng)用，但對(duì)一個(gè)單元進(jìn)行編程時(shí)產(chǎn)生的熱量也可能影響其相鄰單元——所謂的“干擾” 。此外，加熱器尖端的局部加熱會(huì)導(dǎo)致附近的一些材料移動(dòng)，從而導(dǎo)致電池上方出現(xiàn)空隙。

“加熱器的尖端是 600 到 700°C，”布羅澤克說。英特爾顯然通過其 Optane 內(nèi)存解決了這個(gè)問題，用更分布式的加熱器替換單點(diǎn)加熱器來緩解這個(gè)問題。

Brozek指出，還有其他問題，涉及復(fù)位狀態(tài)的穩(wěn)定性，非晶材料會(huì)自發(fā)生長(zhǎng)一些晶體。這使得它更難用于模擬存儲(chǔ)器。他說 ReRAM 對(duì)于這個(gè)應(yīng)用程序來說更穩(wěn)定。

此外，目前尚不清楚 PCRAM 是否或何時(shí)會(huì)在 1xnm 范圍內(nèi)制造。GlobalFoundries嵌入式存儲(chǔ)器高級(jí)總監(jiān) Martin Mason表示，很難找到一家能夠在 28 納米以下節(jié)點(diǎn)上構(gòu)建 PCRAM 的代工廠。

MRAM的獨(dú)特之處在于在數(shù)據(jù)保留、耐用性和速度之間具有三向關(guān)系。您可以選擇其中任何兩個(gè)而犧牲第三個(gè)。“ MRAM是一種美麗的記憶，”Brozek 說。“［它］具有很好的可調(diào)性。有許多旋鈕需要轉(zhuǎn)動(dòng)，包括可靠性。”

因此，Mason 說 GlobalFoundries 正在開發(fā)兩個(gè)版本的 MRAM——一個(gè)更類似于閃存，一個(gè)更類似于 SRAM，每個(gè)版本都有不同的權(quán)衡。

類似閃光的版本更強(qiáng)大，在 MJT 中具有更高的能壘。它在 10 萬個(gè)單元上具有很高的耐久性，但這低于SRAM類技術(shù)所期望的無限耐久性。它支持五個(gè)回流焊循環(huán)，可以處理更高的工作溫度。類 SRAM 版本具有更高的耐用性，但數(shù)據(jù)保留率更低，并且它可以支持比類閃存版本更低的工作溫度。

MRAM 在多個(gè)寫入周期后確實(shí)存在自我干擾的風(fēng)險(xiǎn)，這使得耐用性成為更大的挑戰(zhàn)。一種稱為自旋軌道轉(zhuǎn)移 （SOT-MRAM） 的新版本 MRAM 有助于解決這個(gè)問題，但這還不是一種經(jīng)過驗(yàn)證的生產(chǎn)技術(shù)。

Brozek 還指出了蝕刻 MRAM 位單元時(shí)的挑戰(zhàn)，隨著時(shí)間的推移，MRAM 位單元變得更加圓柱形（而不是錐形）。因?yàn)槲粏卧褩Ｖ杏性S多層非常不同的材料，“MRAM 不能使用 RIE ［反應(yīng)離子蝕刻］——它的選擇性太高。你必須改變化學(xué)物質(zhì)才能降低堆棧。” 相反，他們使用中性離子蝕刻，其中離子被加速，然后在濺射到晶圓上之前被中和。很難清潔所有角落，蝕刻材料可能會(huì)重新分布到其他地方。隨著時(shí)間的推移，這些可能會(huì)變成細(xì)絲，這使得這是一個(gè)必須仔細(xì)調(diào)整的加工挑戰(zhàn)。

至于溫度穩(wěn)定性，Mason 表示，格羅方德目前提供 2 級(jí)存儲(chǔ)器，他們正在努力實(shí)現(xiàn) 1 級(jí)。“MRAM 達(dá)到 ［1 級(jí)］ 還需要一段時(shí)間。” 這適用于所有新穎的 NVM 技術(shù)，”Mason 指出。

客戶反復(fù)關(guān)注的一個(gè)問題是外部磁場(chǎng)對(duì) MRAM 內(nèi)容的影響。某些環(huán)境——靠近銷售點(diǎn)機(jī)器、感應(yīng)電機(jī)、螺線管、揚(yáng)聲器中的圓盤磁鐵和類似系統(tǒng)——會(huì)造成這種擔(dān)憂。從角度來看，Mason 指出，“幾十年來，我們一直在使用磁存儲(chǔ)”，從核心內(nèi)存到磁盤驅(qū)動(dòng)器。“5 毫米到 1 厘米外，場(chǎng)急劇下降。” 他說，在 125°C 下，格羅方德 MRAM 對(duì) 500 Oe 具有 10 年的磁免疫性，一階。封裝中沒有固有的屏蔽，盡管可以以低成本添加。

還有其他問題。“MRAM 的主要故障機(jī)制是其薄 MgO 屏障的磨損，” KLA產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理 Meng Zhu 說。 “當(dāng)屏障存在缺陷，例如針孔或材料薄弱點(diǎn)時(shí)，結(jié)的電阻會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐漸降低，也可能導(dǎo)致電阻突然下降（擊穿）。堆疊界面粗糙度、MgO 厚度均勻性是在 MgO 層中產(chǎn)生針孔/薄弱點(diǎn)的典型原因。在氧化的 MgO 的情況下，沉積的 Mg 層通過熱或等離子體氧化工藝轉(zhuǎn)化為 MgO，由于 Mg 和 MgO 的晶格參數(shù)不同，氧化程度也會(huì)導(dǎo)致針孔的產(chǎn)生。盡管直接檢測(cè)亞納米 MgO 層中的針孔具有挑戰(zhàn)性，但可以通過確保良好的工藝控制（例如使用光譜橢偏儀的薄膜沉積均勻性和 MgO 化學(xué)計(jì)量）來降低屏障中出現(xiàn)缺陷的機(jī)會(huì)。

在線缺陷檢測(cè)可以幫助檢測(cè)諸如在圖案化步驟期間在 MRAM 柱附近或側(cè)面形成的金屬顆粒等可靠性殺手，這些金屬顆粒可能會(huì)隨著時(shí)間的推移使 MTJ 短路。“與所有半導(dǎo)體技術(shù)一樣，在線檢測(cè)和計(jì)量過程控制的最佳實(shí)踐可以實(shí)現(xiàn)最佳的器件性能和良率，”朱說。“提高檢測(cè)靈敏度、采樣和創(chuàng)新數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以對(duì)潛在可靠性問題的早期發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生積極影響——這是所有制造商都希望實(shí)現(xiàn)的持續(xù)改進(jìn)目標(biāo)。由于 STT-RAM 的產(chǎn)量仍然相對(duì)較低，我們正在與客戶一起學(xué)習(xí)并推動(dòng)此類改進(jìn)。”

ReRAM有其自身的一系列挑戰(zhàn)，尤其是作為一種新技術(shù)。Mason 指出，在 85°C 以上或超過 10，000 次寫入周期時(shí)，燈絲可能會(huì)斷裂，可能會(huì)遇到挑戰(zhàn)。Adesto 對(duì)其實(shí)施進(jìn)行了一些更改，稱為“導(dǎo)電橋”存儲(chǔ)器或 CBRAM，以突破這些限制。Adesto 的ReRAM是絲狀的（因此是導(dǎo)電橋）。它發(fā)現(xiàn)由銅或焊料電極產(chǎn)生的細(xì)絲可以細(xì)到一個(gè)原子寬。這使得燈絲的電阻很容易受到干擾，因?yàn)橹恍枰獛讉€(gè)原子來移動(dòng)就可以引起變化。

該公司發(fā)現(xiàn)，通過從金屬電極切換到半金屬電極，它得到了一個(gè)更寬的橋，表現(xiàn)更穩(wěn)健，解決了 Mason 提到的問題 - 以及焊料問題 - 并在熱穩(wěn)定性方面提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)和數(shù)據(jù)保留。“Adesto 提供的 ReRAM 產(chǎn)品在與標(biāo)準(zhǔn)閃存設(shè)備相同的條件下運(yùn)行。［它發(fā)表的一篇論文］表明，我們的技術(shù)可以用于汽車運(yùn)行條件。材料以及 ［算法］ 在推動(dòng)耐力改進(jìn)方面也很重要，”Adesto 工程副總裁兼聯(lián)合創(chuàng)始人 Shane Hollmer說。

干擾問題通過在尋址時(shí)隔離位單元的選擇器來減輕。Adesto 使用簡(jiǎn)單的單晶體管單電阻 （1T1R） 單元，由于額外的晶體管而在一定程度上增加了單元尺寸。“對(duì)于提高密度和堆疊的新穎選擇器有一些有趣的想法，但我們還沒有使用它們，”Hollmer 說。

盡管 ReRAM 在用作閃存的替代品時(shí)沒有 MRAM 所具有的三向權(quán)衡關(guān)系，但根據(jù) Hollman 的說法，它適用于針對(duì) DRAM 的應(yīng)用程序——這在今天似乎不是一種常見的應(yīng)用程序。當(dāng)談到機(jī)器學(xué)習(xí)的模擬使用時(shí)，他們不相信給定的陣列會(huì)在 100°C 下保持 10 年，因?yàn)槊扛魩字芑驇讉€(gè)月就會(huì)定期更新。如果沒有，他們確實(shí)認(rèn)為定期刷新是一種好習(xí)慣。

在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，Adesto 還研究了將電介質(zhì)從 Al2O3 更改為 SiO2，以將有時(shí)在擦除過程中發(fā)生的位單元短路降低到 ECC 可以管理的水平。在另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，它著眼于通過使用差分方案來減少隨機(jī)編程誤差，其中兩個(gè)單元被編程為相反的狀態(tài)，然后以差分方式感測(cè)電流。

NRAM是迄今為止這些技術(shù)中的最新技術(shù)。Nantero 的目標(biāo)是使用 NRAM 的 DRAM 市場(chǎng)，但它并沒有自己制造內(nèi)存。相反，它正在許可技術(shù)。

富士通是第一個(gè)公開宣布的被許可人。但正如富士通高級(jí)營(yíng)銷經(jīng)理 TongSwan Pang 所說，該公司的目標(biāo)不是 DRAM。相反，它使用 NRAM 作為 NVM 來與閃存競(jìng)爭(zhēng)。它已經(jīng)建立了生產(chǎn)線，并正在微調(diào)模具尺寸。富士通正試圖在 2020 年底之前完成這項(xiàng)技術(shù)，六個(gè)月后將推出一款小型、不具侵略性的獨(dú)立內(nèi)存產(chǎn)品，隨后主要用于定制 SoC。“我們開發(fā)的所有內(nèi)存都將用于嵌入式或利基市場(chǎng)，”Pang 說。

也就是說，目前可用的大部分可靠性數(shù)據(jù)都來自 Nantero。該公司的首席系統(tǒng)架構(gòu)師 Bill Gervasi 說，與所有其他技術(shù)不同，這種技術(shù)沒有移動(dòng)費(fèi)用。這意味著它們沒有機(jī)會(huì)被困或造成損壞，從而可能具有較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)保留時(shí)間和較高的耐用性。“我們已經(jīng)測(cè)試了 1013 個(gè)周期，還沒有看到任何磨損。”

基本技術(shù)有一個(gè)相當(dāng)不尋常的證明點(diǎn)：“這是在哈勃維修期間的航天飛機(jī)上，”他說，因此它已被證明可以承受太空的嚴(yán)酷考驗(yàn)。Nantero 將數(shù)據(jù)保留建模為極高，在 300°C 時(shí)會(huì)出現(xiàn)退化。但根據(jù)該公司的計(jì)算，這種退化將數(shù)據(jù)保留期從 12，000 年縮短到 300 年。當(dāng)然，這些數(shù)字必須在一個(gè)完整的產(chǎn)品中得到證明，以確認(rèn)它們是真實(shí)的。

其他內(nèi)存技術(shù)正處于評(píng)估的早期階段。在一份關(guān)于新興內(nèi)存增長(zhǎng)的報(bào)告中，Handy 和一位同事描述了其他一些正在探索的技術(shù)。MRAM 有一種變體，它利用電場(chǎng)來強(qiáng)制電子自旋。它被稱為磁電 RAM （MeRAM）。有鐵電 RAM （FeRAM），它利用電偶極子來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。還有聚合物鐵電存儲(chǔ)器 （PFRAM），它設(shè)置聚合物的狀態(tài)以存儲(chǔ)值。這些對(duì)于可靠性評(píng)估來說還為時(shí)過早，但重要的是要注意今天的主要內(nèi)存競(jìng)爭(zhēng)者可能不會(huì)仍然是唯一可用的。

至于哪些記憶最有可能成功，好吧，即使是分析師也不愿做出判斷。Objective Analysis 總經(jīng)理 Jim Handy 的一份報(bào)告預(yù)測(cè)了 DRAM、NAND 閃存、MRAM 和“3D XPoint”——英特爾的 Optane 技術(shù)。但是，他指出，“。..。..我們所代表的嵌入式 MRAM 可能會(huì)成為 ReRAM，甚至可能成為其他一些新興內(nèi)存，如果新興內(nèi)存增長(zhǎng)速度更快的話。” 他并沒有宣布 MRAM 是贏家。它是從競(jìng)爭(zhēng)中活生生的記憶的替身。