半導體芯片技術的成熟,也讓我們看到了存儲器領域的下一個元年
發布時間:2018-08-28
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半導體芯片_存儲器

 

存儲這個名詞對于我們每個人來說,都不陌生,大到電腦小到手機(當然還有更大更小的東西),從最開始的幾十兆到現在的幾個T,發展速度可謂肉眼可見,而且,大部分人在不了解所謂配置的時候,但挑選電子產品的時候一定會選擇大的內存,也就是我們所說的存儲器。

 

而目前,隨著各種半導體芯片技術的茁壯成長,越來越多的高新產品涌入市場,存儲器方面同樣如此。

 

多年來,存儲器行業一直致力于各種存儲技術的研究,包括碳納米管RAM、FRAM、MRAM、相變存儲器和ReRAM。有些已推出,有些仍在研發中。這些不同類型的存儲器都對應特定的應用領域,但都勢必將在存儲器家族中取代一個或者多個傳統型存儲。

 

當前的存儲器能夠正常運作,但是它們正在努力跟上系統中數據和帶寬需求的激增。例如,DRAM速度快但耗電量大,而NAND和硬盤驅動器既便宜但運行速度較慢。

 

在這個層次結構的第一層中,SRAM集成到處理器中以支持快速數據訪問。層次結構中的下一層DRAM用于主存儲器。磁盤驅動器和基于NAND的固態硬盤(SSD)則用于信息存儲。

 

這彰顯了下一代存儲器的用武之地。新型存儲器結合了SRAM的速度和Flash的非易失性和良好的耐久性。這些技術擁有出色的規格,但它們要么遲遲未出現,要么效能不盡人意。

 

事實上,將許多新型存儲器投入大規模生產一直是一個難題。它們依賴新型材料和轉換機制,也難以制造或者運行,同時價格也非常昂貴。

 

總而言之,新型存儲器仍然是利基產品,但是有很明顯的進展。例如,英特爾正在持續推進名為3D XPoint的下一代存儲器。緊接著,GlobalFoundries、三星(Samsung)、臺積電(TSMC)和聯華電子(UMC)正在為嵌入式市場開發新的存儲器類型。有分析認為,“真正重要的是,邏輯晶圓廠正在為嵌入式存儲器開發MRAM和resistance RAM。對于獨立的存儲器市場來說,成本很高。只有愿意投入巨大成本的人才會考慮。”

 

3D XPonit

 

3D XPoint的興起

 

3D XPoint的興起已經持續一段時間,下一代存儲器還在升級。每一種新型存儲器都會被宣稱它們性能比傳統存儲器更優越。

 

不過,至少目前來說,新的存儲器不可能取代DRAM、Flash和SRAM。

 

這一切都歸結于性能、容量與成本。舉個例子,指定存儲器的單元格大小等于特特征尺寸(F)乘以4的平方。最小的單元格大小是4F2。最新的3D NAND包含每個單元儲存4個數據(QLC),理論上可以轉換為1F2的單元大小。

 

但是,“如果它想取代NAND,就必須比1F2更便宜。據我所知,我們在有生之年不會看到這種情況。”身為存儲器專家的Nantero公司董事會成員Ed Doller如是說道。

 

同理,若要取代DRAM,新的存儲器類型必須更便宜,而且必須在它周圍有一個完整的基礎設施,比如DRAM兼容的接口和控制器。

 

那如果新的存儲器類型不會取代傳統的技術,那么它們適合應用在哪些地方?Lam Research高級技術總監Alex Yoon曾在一篇博客中寫道,“云計算和最新的移動產品等應用正在推動對新型存儲器的需求,這些新型存儲器將DRAM的速度與NAND更高的比特密度以及更低的成本結合起來。”為了達到這些標準,科研人員正在探索一些新技術。有些公司瞄準的是嵌入式應用,比如系統級半導體芯片(system-on-chips,SoCs),而另一些公司則專注于存儲類存儲器空間。

 

目前,新型存儲器已經開拓了現在的存儲器無法滿足的利基市場,甚至還從DRAM和Flash那里搶占了一些市場,但目前還不清楚這種新型存儲器是否會成為主流技術。

 

目前為止,依然沒有一種能夠滿足所有需求的新型存儲技術。因此,隨著時間的推移,客戶可能會使用一種或多種存儲器技術。“它們是競爭關系,功能存在重疊,但是它們在市場上都有屬于各自的一席之地。”ReRAM供應商Crossbar的營銷和業務開發副總裁Sylvain Dubois表達了他的觀點。

 

但值得一提的是,有一項技術正在進展中。市場的一個重大變化是3D XPoint的崛起,這是英特爾(Intel)和美光(Micron)開發的下一代技術。

 

半導體芯片

 

當3D XPoint在2015年正式推出時,它被稱為是一種介于DRAM和NAND之間的存儲技術。它的速度和耐久性都是NAND的1000倍。

 

然而,實際上3D XPoint的推出被延遲了,并且沒有達到那些標準。不過,分析認為,“3D XPoint可能被過度炒作了。但3D XPoint仍然是相當驚人的,其盈利將超過所有其他非易失性存儲器的總和。”

 

事實上,在幾次延遲之后,英特爾正在升級基于3D XPoint的SSD和其他產品。最終,英特爾將把這項技術用于服務器里的DIMM?;?D XPoint,英特爾將擁有速度最快、耐久性最高的SSD。

 

有數據顯示,到2020年,3D XPoint的收入預計將達到15億美元。相比之下,MRAM在2017年的銷售額為3600萬美元。其他新型存儲器的營收則少到不容易被注意。但相比DRAM和NAND,新型存儲器的營收仍然顯得蒼白無力。

 

與此同時,3D XPoint是基于一種叫做相變存儲器(PCM)的技術。PCM以非晶相和晶體相存儲信息。它可以通過外部電壓進行可逆切換。

 

基于雙層堆疊結構,3D XPoint采用20nm幾何尺寸,具有128千兆位的密度。根據相關數據,其讀取延遲大約為125ns,持續時間為200K。

 

這項技術速度很快,但并沒有達到NAND的1000倍。它的成本也比NAND高得多,這不是DRAM的替代品,它在某些程度上為DRAM提供了補充。

 

3D XPoint的下一步是什么?最大的機遇在于DIMM的空間。英特爾的DIMMs由將會集成3D XPoint和DRAM,并利用3D XPoint的性能特點來優化處理器和架構。

 

不過,這項技術的未來仍不確定。英特爾和美光正在分別開發3D NAND和3D XPoint。正如之前宣布的,兩家公司將完成目前兩類產品的開發,然后獨立開發這些技術。目前還不清楚美光是否會推出3D XPoint產品。迄今為止,美光還沒有推出3D XPoint產品,因為這項技術似乎與其DRAM和NAND產品存在競爭。

 

顯然,英特爾有資源獨自開發3D XPoint。但問題是,英特爾是否會利用這項技術收回其大規模的研發投資。

 

與此同時,這行業還在開發其他新的存儲器,如MRAM和ReRAM。與3D XPoint一樣,MRAM和ReRAM可以作為獨立產品進行生產和銷售。

 

3D XPoint不是作為嵌入式存儲器出售的。相比之下,MRAM和ReRAM可以用于嵌入式存儲市場。

 

對于MRAM,該行業正在開發下一代技術,稱為自旋傳遞轉矩MRAM(STT-MRAM)。STT-MRAM利用電子自旋的磁性為半導體芯片提供非揮發性特性。它結合了SRAM的速度和Flash的非波動性,具有無限的持久性。

 

在傳統存儲器中,數據以電荷的形式存儲。相比之下,MRAM使用一個磁隧道結(MTJ)存儲單元作為存儲單元。

 

MTJ由一個存儲器堆棧組成,它可以為給定的應用程序重新配置。但在調優MTJ堆棧時,在持久度、數據保留和寫入脈沖寬度方面存在一些權衡。在MTJ堆棧的設計中,存在固有的權衡。例如,你可以通過放棄數據保留來優化棧的耐久性,反之亦然。

 

這允許人們以不同的方式處理不同的應用。例如,如果你正在執行嵌入式MRAM,并且正在嘗試構建一個用于代碼存儲的嵌入式NVM,那么提高數據保留和放棄持久性的能力則非常適合這個應用。

 

迄今為止,Everspin是唯一一家基于STT-MRAM的獨立部件的公司。Everspin已經推出一款基于40nm制程的256兆比特器件,目前正在研制一款28nm制程的1gb器件。Avalanche、Crocus、三星、東芝、SK Hynix、Spin Transfer等公司仍在研發STT-MRAM,但尚未投產。

 

嵌入式MRAM的發展勢頭正在增強。GlobalFoundries、三星(Samsung)、臺積電(TSMC)和聯華電子(UMC)正在為代工客戶開發28nm/22nm的嵌入式MRAM。

 

在嵌入式市場中,行業使用微控制器(MCUs)。MCUs在同一半導體芯片上集成了多個組件,如CPU、SRAM、嵌入式存儲器和外設。嵌入式存儲器(如NOR Flash)用于代碼存儲。

 

基于40nm及以上的嵌入式或Nor Flash的MCU處于出貨階段。目前,該行業正在研發28nm制程的MCU,16nm/14nm制程半導體芯片。

 

問題是,在28nm及更大范圍內擴展嵌入式Flash是很困難的。UMC產品營銷總監David Hideo Uriu說道,“許多人認為28nm/22nm制程將是eFlash的終結,不是因為可擴展性的限制,而是因為經濟障礙。”“你能將嵌入式Flash擴展到28nm以上嗎?”答案是肯定的,因為我們將在22nm節點支持它。但是宏觀設計的本質上和28nm是一樣的。

 

“一旦超過28nm/22nm,eFlash將需要多于15個掩模加法器在前端線的進程。額外的掩模加法器制造了成本障礙,為鑄造行業帶來挑戰,無論是尋求替代非易失性存儲器,還是繼續投資額外的資源以推動現有eFlash技術的邊界,”UMC產品營銷總監David Hideo Uriu補充道。

 

因此,功耗低、讀寫速度快的嵌入式MRAM正在開發進程中,將會取代28nm及以上的嵌入式NOR Flash。這是GlobalFoundries前沿CMOS副總裁Mike Mendicino的看法。

 

例如,低功耗單片機可能需要快速喚醒和安全功能。Mendicino認為,“MRAM可以取代傳統的嵌入式Flash,也可以替代一些SRAM。”

 

對于高速緩存,SRAM占據了半導體芯片很大一部分。嵌入式MRAM還可以承擔一些基于SRAM的緩存功能,從而節省空間和成本。MRAM本身可以在這些設備上節省電能。“但如果人們把一個性能出色的MRAM放到一個平庸的平臺上,那是難以實現的。”Mendicino如是說道。

 

然而,嵌入式MRAM仍然存在一些挑戰,即是在設計中的集成技術能力。成本也是另一個重要因素。“客戶希望新興的嵌入式非易失性存儲器與eFlash一樣具有成本效益。這一預期給整個行業帶來挑戰,但這將是很難實現的,但解決方案應該能夠以現在的成本點來維持當前的價格競爭力。”UMC的Uriu說。

 

與此同時,ReRAM也取得進展,但尚未達到3D XPoint和MRAM的水平。一般來說,ream有兩種類型——氧空位ream和CBRAM。

 

在這兩種情況下,開關介質位于頂部和底部電極之間。當正電壓作用于電極上時,在兩個電極之間形成導電絲。燈絲由離子原子組成。當在底部電極上施加負壓時,導電絲就斷裂了。

 

手機內存

 

ReRAM涉及一個復雜的過程。MRAM和ReRAM都有類似的讀取和數據保留規格。但與ReRAM相比,MRAM具有更高的溫度規格,這令MRAM在汽車等應用領域更具優勢。UMC的Uriu表示:“簡單來說,MRAM可以更多地運用于汽車,但ReRAM目前只適用于消費級應用。”

 

到目前為止,Adesto和Panasonic是唯一推出獨立運行的ReRAM的兩家公司。Crossbar也在開發獨立設備,不過這家公司專注于IP授權模式。嵌入式方面,Crossbar與Microsemi公司合作。Microsemi正在努力將嵌入式ReRAM集成到高級SoC或FPGA中,制程是在14nm或12nm之間。

 

除此之外,其他公司也在開發ReRAM項目。嵌入式ReRAM主要應用于AI/機器學習、計算、家庭自動化、工業和安全。

 

從3D XPoint一些介紹,我們可以管中窺豹,時見一斑,存儲器領域,在前人不懈的努力下,很多高新產品出現在我們眼前的時間會縮短很多,作為電子愛好者,可能我們關心更多的是——什么時候手機內存可以有1個T?