存储技术的未来，路在何方？

原创关注半导体的半导体行业观察

新兴的非易失性存储器（eNVM）在CMOS的基础上，拓展了应用范围。在几种选择中，相变存储器，自旋转移转矩随机存取存储器（STT-RAM）、电阻式随机存取存储器（RRAM），以及英特尔的Optane等是主要的新兴存储技术。

尽管有COVID-19疫情影响，还有贸易争端，再有，英特尔的Optane DIMM延迟，以及许多其它负面影响因素，但新兴的存储市场仍将在未来十年中显着增长。由Objective Analysis和Coughlin Associates联合发布的最新报告“新兴存储找到了方向”表明，新兴存储技术正在迅速发展，到2030年的总收入将达到360亿美元。这是由两种动力驱动的：首先是当今领先的嵌入式存储技术SRAM和NOR闪存无法有效扩展到28nm以上，因此将被嵌入式磁阻RAM（MRAM）或其他技术取代；第二个因素是采用了英特尔的Optane DIMM，正式称为“ Optane DC持久存储模块”，它有望抢占服务器DRAM市场的大量份额。

美光和英特尔推出了3D XPoint存储技术，其使用了一种相变技术，具有很高的耐用性，性能比NAND好得多，尽管它比DRAM慢一些，但密度比DRAM高。这些优点正在影响市场对传统DRAM的需求。英特尔于2017年推出了采用Optane技术（基于3D XPoint）的NVM SSD，并于2019年开始销售Optane DIMM模块。

另外，磁性RAM（MRAM）和自旋隧道扭矩RAM（STT MRAM）开始取代NOR、SRAM以及部分DRAM。STT MRAM和MRAM的发展速度将促使其价格逐渐降低，并且假定其容量增加以降低生产成本（假设其容量增加，从而以高速和高耐久性的非易失性存储器替代易失性存储器，这些技术将具有很强的竞争力）。

铁电RAM（FRAM）和某些RRAM技术具有某些利基应用，并且随着HfO FRAM的使用，可用于FRAM的利基市场的数量可能会增加。转移到非易失性固态主存储器和高速缓存存储器将直接减少功耗，并启用新的节能模式，从断电状态提供更快的恢复速度，并使更稳定的计算机体系结构即使在断电时也能保持其状态。最终，使用自旋而不是电流进行逻辑处理的自旋电子技术可以用于制造未来的微处理器。基于自旋的逻辑可以实现非常有效的内存处理。

在电子工业中，将非易失性技术用作与CMOS逻辑结合的嵌入式存储器非常重要。作为多晶体管SRAM的替代品，STT MRAM可以减少晶体管的数量，从而提供低成本，高密度的解决方案。许多企业和消费类电子设备都将MRAM用作嵌入式高速缓存存储器，并且所有主要的代工厂都在SoC产品中提供MRAM作为嵌入式存储器。

STT MRAM的可用性加速了这种趋势，并允许更高的容量。由于MRAM和STT-RAM工艺与常规CMOS工艺具有兼容性，因此这些存储器可以直接构建在CMOS逻辑晶圆之上，也可以在CMOS制造过程中集成。闪存与常规CMOS的兼容性不同。与SRAM相比，非易失性且更简单的MRAM和STT MRAM的节能效果显着。由于MRAM $ / GB的成本接近SRAM的成本，因此这种替换可能会引起市场的大幅扩张。

设计师、代工厂和存储器制造商要早谋划

参与存储器设计和生产的晶圆代工厂和其他相关公司必须密切注意新兴存储技术的发展状况和态势，否则它们将被抛在竞争者的身后。SoC的设计者和用户应该立即考虑非易失性存储器对其设计的影响。这些新型存储类型将带来功耗和系统响应能力的变化，将从根本上改变我们使用存储技术的方式并从中受益。那些了解这些变化的人将具有深远的竞争优势。

对于所有类型的系统设计者来说，新兴的存储技术都变得极为有趣。人工智能（AI）和物联网（IoT）芯片开始将它们用作嵌入式存储器。大型系统已经在改变其架构，以采用新兴的存储器来替代当今的标准存储器技术。这种过渡将挑战行业，但将带来巨大的竞争优势。

今天，业界仍在寻找通用存储器，而对于技术开发人员来说，有一天，某种通用存储器或杀手级存储器将能够同时替代SRAM，DRAM和闪存。在可预见的未来，虽然下一代存储技术仍然不能完全取代传统存储器，但它们可以结合存储器的传统优势来满足对利基市场的需求。

晶圆厂和研究机构也是推进新兴存储技术的重要一环。以用于嵌入式和DRAM替换的碳纳米管RAM（NRAM）为例，碳纳米管是圆柱形结构，坚固且导电，比DRAM快，并且像闪存一样具有非易失性。

2017年，DARPA启动了多个项目，包括3DSoC。麻省理工学院，斯坦福大学和晶圆厂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器件。目前，3DSoC器件是两层或四层3D结构，它将ReRAM置于碳纳米管逻辑上。目标是到2021年提高产量并提供多项目晶圆生产（MPW）。

2019年，该组织已将这项技术转让给了SkyWater，这家代工厂计划在200mm晶圆上使用90nm制程工艺制造器件。3DSoC架构包括多层碳纳米管晶体管。它们采用n型和p型制造，以制造CMOS晶体管技术。这可以与ReRAM存储器的其他层结合。

在晶圆厂中，使用沉积工艺形成碳纳米管。挑战在于纳米管在此过程中易于发生变化和错位，具体包括三个方面：首先是碳纳米管的纯度。原材料中的碳纳米管有很多可变性。该计划的一部分是提高原材料的纯度，以获得具有高纯度的单壁半导体碳纳米管；第二和第三个挑战与作为晶体管的集成有关。即晶体管性能的可变性和稳定性。

新材料需要新设备和工具

以上这些新兴的存储器类型中有许多都需要新的材料和工艺，从而推动了标准CMOS逻辑工厂对新设备和工具的需求。这些变化将为资本和设备供应商创造机会。为了应对这一市场变化，新兴存储器PB的发货量将比其它传统存储技术增长得更快（见图1），促使其营收增长到360亿美元。

之所以会发生这种情况，很大程度上是因为这些新兴的存储器将占领当今主流技术（NOR闪存，SRAM和DRAM）的既有市场份额。新存储器将取代分立存储芯片和SoC中的嵌入式存储器：包括ASIC，微控制器，甚至是计算处理器中的缓存。

图1：2018-2030年，独立存储器的年度PB出货量显示出稳定的增长（资料来源：Objective Analysis & Coughlin Assoc，2020年）

到2030年，3D XPoint存储器收入将飙升至超过250亿美元，这主要是因为该技术的售价低于它所取代的DRAM。这也解释了为什么离散MRAM / STT-MRAM芯片收入将增长到超过100亿美元，或者说是2019年MRAM收入的近300倍。此外，预计电阻RAM（ReRAM）和MRAM将竞争取代SoC中的大量嵌入式NOR和SRAM，从而推动更大规模的收入增长。

资本支出必须增加

半导体行业向新兴存储器的转变将需要增加资本支出。到2030年，MRAM所需增加的制造设备支出很可能会比其2019年的总支出4400万美元增长16倍，达到近7亿美元，也可能会增长至13亿美元（见图2）。

图2：2030年，MRAM资本总支出将增长到将近7亿美元（来源：Coughlin Associates）

竞争愈加激烈

目前，尚不清楚哪种存储技术将成为这场战斗的赢家。相变存储器（PCM），ReRAM，铁电RAM（FRAM），MRAM和许多尚未成熟的技术，每种都有各自的竞争优势和劣势。目前处于竞争行列的有将近100家公司，这些公司包括芯片制造商、技术许可方、晶圆代工厂和工具和设备制造商，几乎覆盖了半导体供应链的每个环节。它们每家都有应对这一市场竞争和变化的方案以及规划。

结语

目前来看，在几种新兴的eNVM器件中，最有前途的是FeFET、PCM、STT-RAM和RRAM。而器件设计、设备和工具、材料等都可能会影响控制eNVM器件的行为。例如，根据结构设计，可以在RRAM中控制切换机制和器件操作。

尽管尚未实现通用存储器的梦想，但eNVM器件可以最大程度地减少存储和内存之间的性能差距。与eNVM技术相关的挑战包括单元级别和器件级别的可靠性、可变性、良率、高度平滑的结构设计等。

eNVM提供了替换基准内存，发挥SCM作用，研究新颖的体系结构，研究受大脑启发的计算系统，并设计硬件安全系统。低功耗eNVM对传感器和物联网应用也很有用。不过，在现阶段，设计高产量eNVM器件仍然面临许多挑战，例如制造工艺、材料以及针对不同类型应用的优化操作等。

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今天是《半导体行业观察》为您分享的第2356期内容，欢迎关注。

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