新型存储器结合了SRAM的速度和Flash的优势，看看未来有哪些存储器兴起
随着许多新技术的涌现，下一代存储器市场正在升温，但将这些产品引入主流市场仍面临一些挑战。
多年来，该行业一直致力于各种存储技术的研究，包括碳纳米管ram、fram、mram、相变存储器和reram。有些已推出，有些仍在研发中。这些不同类型的存储器都对应特定的应用领域，但都势必将在存储器家族中取代一个或者多个传统型存储。
在这个层次结构的第一层中，sram集成到处理器中以支持快速数据访问。层次结构中的下一层dram用于主存储器。磁盘驱动器和基于nand的固态硬盘(ssd)则用于信息存储。（如下图）
图1：存储器层次结构-dram/sram和flash具有相反的特性，这些特性令存储类存储器能填补空白
当前的存储器能够正常运作，但是它们正在努力跟上系统中数据和带宽需求的激增。例如，dram速度快但耗电量大，而nand和硬盘驱动器既便宜但运行速度较慢。
这彰显了下一代存储器的用武之地。新型存储器结合了sram的速度和flash的非易失性和良好的耐久性。这些技术拥有出色的规格，但它们要么迟迟未出现，要么效能不尽人意。
事实上，将许多新型存储器投入大规模生产一直是一个难题。它们依赖新型材料和转换机制，也难以制造或者运行，同时价格也非常昂贵。
总而言之，新型存储器仍然是利基产品，但是有很明显的进展。例如，英特尔正在持续推进名为3d xpoint的下一代存储器。紧接着，globalfoundries、三星(samsung)、台积电(tsmc)和联华电子(umc)正在为嵌入式市场开发新的存储器类型。有分析认为，“真正重要的是，逻辑晶圆厂正在为嵌入式存储器开发mram和resistance ram。对于独立的存储器市场来说，成本很高。只有愿意投入巨大成本的人才会考虑。”
因此，传统存储器仍然是市场上的主流产品，但新型存储器也为我们提供了一些选择。
3d xpoint的兴起
3d xpoint的兴起已经持续一段时间，下一代存储器还在升级。每一种新型存储器都会被宣称它们性能比传统存储器更优越。
不过，至少目前来说，新的存储器不可能取代dram、flash和sram。
这一切都归结于性能、容量与成本。举个例子，指定存储器的单元格大小等于特特征尺寸（f）乘以4的平方。最小的单元格大小是4f2。最新的3d nand包含每个单元储存4个数据（qlc），理论上可以转换为1f2的单元大小。
但是，“如果它想取代nand，就必须比1f2更便宜。据我所知，我们在有生之年不会看到这种情况。”身为存储器专家的nantero公司董事会成员ed doller如是说道。
同理，若要取代dram，新的存储器类型必须更便宜，而且必须在它周围有一个完整的基础设施，比如dram兼容的接口和控制器。
那如果新的存储器类型不会取代传统的技术，那么它们适合应用在哪些地方？lam research高级技术总监alex yoon曾在一篇博客中写道，“云计算和最新的移动产品等应用正在推动对新型存储器的需求，这些新型存储器将dram的速度与nand更高的比特密度以及更低的成本结合起来。”为了达到这些标准，科研人员正在探索一些新技术。有些公司瞄准的是嵌入式应用，比如系统级芯片(system-on-chips,socs)，而另一些公司则专注于存储类存储器空间。
目前，新型存储器已经开拓了现在的存储器无法满足的利基市场，甚至还从dram和flash那里抢占了一些市场，但目前还不清楚这种新型存储器是否会成为主流技术。
目前为止，依然没有一种能够满足所有需求的新型存储技术。因此，随着时间的推移，客户可能会使用一种或多种存储器技术。“它们是竞争关系，功能存在重叠，但是它们在市场上都有属于各自的一席之地。”reram供应商crossbar的营销和业务开发副总裁sylvain dubois表达了他的观点。
图片2：存储器层次结构
但值得一提的是，有一项技术正在进展中。市场的一个重大变化是3d xpoint的崛起，这是英特尔(intel)和美光(micron)开发的下一代技术。
当3d xpoint在2015年正式推出时，它被称为是一种介于dram和nand之间的存储技术。它的速度和耐久性都是nand的1000倍。
然而，实际上3d xpoint的推出被延迟了，并且没有达到那些标准。不过，分析认为，“3d xpoint可能被过度炒作了。但3d xpoint仍然是相当惊人的，其盈利将超过所有其他非易失性存储器的总和。”
事实上，在几次延迟之后，英特尔正在升级基于3d xpoint的ssd和其他产品。最终，英特尔将把这项技术用于服务器里的dimm。基于3d xpoint，英特尔将拥有速度最快、耐久性最高的ssd。
有数据显示，到2020年，3d xpoint的收入预计将达到15亿美元。相比之下，mram在2017年的销售额为3600万美元。其他新型存储器的营收则少到不容易被注意。但相比dram和nand，新型存储器的营收仍然显得苍白无力。
与此同时，3d xpoint是基于一种叫做相变存储器(pcm)的技术。pcm以非晶相和晶体相存储信息。它可以通过外部电压进行可逆切换。
基于双层堆叠结构，3d xpoint采用20nm几何尺寸，具有128千兆位的密度。根据相关数据，其读取延迟大约为125ns，持续时间为200k。
图片3：3d xpoint架构
这项技术速度很快，但并没有达到nand的1000倍。它的成本也比nand高得多，这不是dram的替代品，它在某些程度上为dram提供了补充。
3d xpoint的下一步是什么？最大的机遇在于dimm的空间。英特尔的dimms由将会集成3d xpoint和dram，并利用3d xpoint的性能特点来优化处理器和架构。
不过，这项技术的未来仍不确定。英特尔和美光正在分别开发3d nand和3d xpoint。正如之前宣布的，两家公司将完成目前两类产品的开发，然后独立开发这些技术。目前还不清楚美光是否会推出3d xpoint产品。迄今为止，美光还没有推出3d xpoint产品，因为这项技术似乎与其dram和nand产品存在竞争。
显然，英特尔有资源独自开发3d xpoint。但问题是，英特尔是否会利用这项技术收回其大规模的研发投资。
与此同时，这行业还在开发其他新的存储器，如mram和reram。与3d xpoint一样，mram和reram可以作为独立产品进行生产和销售。
3d xpoint不是作为嵌入式存储器出售的。相比之下，mram和reram可以用于嵌入式存储市场。
对于mram，该行业正在开发下一代技术，称为自旋传递转矩mram(stt-mram)。stt-mram利用电子自旋的磁性为芯片提供非挥发性特性。它结合了sram的速度和flash的非波动性，具有无限的持久性。
图片4：stt-mram存储单元
在传统存储器中，数据以电荷的形式存储。相比之下，mram使用一个磁隧道结(mtj)存储单元作为存储单元。
mtj由一个存储器堆栈组成，它可以为给定的应用程序重新配置。但在调优mtj堆栈时，在持久度、数据保留和写入脉冲宽度方面存在一些权衡。在mtj堆栈的设计中，存在固有的权衡。例如，你可以通过放弃数据保留来优化栈的耐久性，反之亦然。
这允许人们以不同的方式处理不同的应用。例如，如果你正在执行嵌入式mram，并且正在尝试构建一个用于代码存储的嵌入式nvm，那么提高数据保留和放弃持久性的能力则非常适合这个应用。
迄今为止，everspin是唯一一家基于stt-mram的独立部件的公司。everspin已经推出一款基于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、东芝、sk hynix、spin transfer等公司仍在研发stt-mram，但尚未投产。
嵌入式mram的发展势头正在增强。globalfoundries、三星(samsung)、台积电(tsmc)和联华电子(umc)正在为代工客户开发28nm/22nm的嵌入式mram。
在嵌入式市场中，行业使用微控制器(mcus)。mcus在同一芯片上集成了多个组件，如cpu、sram、嵌入式存储器和外设。嵌入式存储器(如nor flash)用于代码存储。
基于40nm及以上的嵌入式或nor flash的mcu处于出货阶段。目前，该行业正在研发28nm制程的mcu，16nm/14nm制程芯片。
问题是，在28nm及更大范围内扩展嵌入式flash是很困难的。umc产品营销总监david hideo uriu说道，“许多人认为28nm/22nm制程将是eflash的终结，不是因为可扩展性的限制，而是因为经济障碍。”“你能将嵌入式flash扩展到28nm以上吗？”答案是肯定的，因为我们将在22nm节点支持它。但是宏观设计的本质上和28nm是一样的。
“一旦超过28nm/22nm，eflash将需要多于15个掩模加法器在前端线的进程。额外的掩模加法器制造了成本障碍，为铸造行业带来挑战，无论是寻求替代非易失性存储器，还是继续投资额外的资源以推动现有eflash技术的边界，”umc产品营销总监david hideo uriu补充道。
因此，功耗低、读写速度快的嵌入式mram正在开发进程中，将会取代28nm及以上的嵌入式nor flash。这是globalfoundries前沿cmos副总裁mike mendicino的看法。
例如，低功耗单片机可能需要快速唤醒和安全功能。mendicino认为，“mram可以取代传统的嵌入式flash，也可以替代一些sram。”
对于高速缓存，sram占据了芯片很大一部分。嵌入式mram还可以承担一些基于sram的缓存功能，从而节省空间和成本。mram本身可以在这些设备上节省电能。“但如果人们把一个性能出色的mram放到一个平庸的平台上，那是难以实现的。”mendicino如是说道。
然而，嵌入式mram仍然存在一些挑战，即是在设计中的集成技术能力。成本也是另一个重要因素。“客户希望新兴的嵌入式非易失性存储器与eflash一样具有成本效益。这一预期给整个行业带来挑战，但这将是很难实现的，但解决方案应该能够以现在的成本点来维持当前的价格竞争力。”umc的uriu说。
与此同时，reram也取得进展，但尚未达到3d xpoint和mram的水平。一般来说，ream有两种类型——氧空位ream和cbram。
在这两种情况下，开关介质位于顶部和底部电极之间。当正电压作用于电极上时，在两个电极之间形成导电丝。灯丝由离子原子组成。当在底部电极上施加负压时，导电丝就断裂了。
图片5：reram运作过程
reram涉及一个复杂的过程。mram和reram都有类似的读取和数据保留规格。但与reram相比，mram具有更高的温度规格，这令mram在汽车等应用领域更具优势。umc的uriu表示:“简单来说，mram可以更多地运用于汽车，但reram目前只适用于消费级应用。”
图片6：mram vs.reram
到目前为止，adesto和panasonic是唯一推出独立运行的reram的两家公司。crossbar也在开发独立设备，不过这家公司专注于ip授权模式。嵌入式方面，crossbar与microsemi公司合作。microsemi正在努力将嵌入式reram集成到高级soc或fpga中，制程是在14nm或12nm之间。
除此之外，其他公司也在开发reram项目。嵌入式reram主要应用于ai/机器学习、计算、家庭自动化、工业和安全。
其他新型存储器
fram是另一种值得关注的技术。使用铁电电容器存储数据，fram是非易失性存储器，具有无限的耐久性。
传统的frams的扩展性是有限的。为了解决这些问题，创业公司ferroelectric memory(fmc)正在开发下一代fram，称为铁电场效应晶体管(fefet)。
仍在研发阶段的fefet并不是一种新设备。fefet利用现有的基于氧化铪的金属闸极堆叠逻辑晶体管。然后对闸级绝缘子进行铁电性质的改性。
fmc的ceo stefan muller表示:“我们所做的是一种基于晶体管的铁电存储器。我们正在推进嵌入式领域的发展。”
同时，在研发方面，nantero正在研发碳纳米管。对于嵌入式应用，富士通预计将提供第一款基于nantero技术的纳米碳管ram。
这个策略是为逻辑电路做嵌入式存储器。富士通将在2019年扩大这一规模。来自nantero的doller说道，“与此同时，我们正在研发的是一款与dram兼容的高容量设备。这将与dram展开竞争。”
因此，下一代存储器正在不断推进，为oem厂商提供了大量的选择。但要成为主流设备，对于它们来说，还有很长一段路要走。
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总而言之，新型存储器仍然是利基产品，但是有很明显的进展。例如，英特尔正在持续推进名为3d xpoint的下一代存储器。紧接着，globalfoundries、三星(samsung)、台积电(tsmc)和联华电子(umc)正在为嵌入式市场开发新的存储器类型。有分析认为，“真正重要的是，逻辑晶圆厂正在为嵌入式存储器开发mram和resistance ram。对于独立的存储器市场来说，成本很高。只有愿意投入巨大成本的人才会考虑。”
因此，传统存储器仍然是市场上的主流产品，但新型存储器也为我们提供了一些选择。
3d xpoint的兴起
3d xpoint的兴起已经持续一段时间，下一代存储器还在升级。每一种新型存储器都会被宣称它们性能比传统存储器更优越。
不过，至少目前来说，新的存储器不可能取代dram、flash和sram。
这一切都归结于性能、容量与成本。举个例子，指定存储器的单元格大小等于特特征尺寸（f）乘以4的平方。最小的单元格大小是4f2。最新的3d nand包含每个单元储存4个数据（qlc），理论上可以转换为1f2的单元大小。
但是，“如果它想取代nand，就必须比1f2更便宜。据我所知，我们在有生之年不会看到这种情况。”身为存储器专家的nantero公司董事会成员ed doller如是说道。
同理，若要取代dram，新的存储器类型必须更便宜，而且必须在它周围有一个完整的基础设施，比如dram兼容的接口和控制器。
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目前，新型存储器已经开拓了现在的存储器无法满足的利基市场，甚至还从dram和flash那里抢占了一些市场，但目前还不清楚这种新型存储器是否会成为主流技术。
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有数据显示，到2020年，3d xpoint的收入预计将达到15亿美元。相比之下，mram在2017年的销售额为3600万美元。其他新型存储器的营收则少到不容易被注意。但相比dram和nand，新型存储器的营收仍然显得苍白无力。
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基于双层堆叠结构，3d xpoint采用20nm几何尺寸，具有128千兆位的密度。根据相关数据，其读取延迟大约为125ns，持续时间为200k。
图片3：3d xpoint架构
这项技术速度很快，但并没有达到nand的1000倍。它的成本也比nand高得多，这不是dram的替代品，它在某些程度上为dram提供了补充。
3d xpoint的下一步是什么？最大的机遇在于dimm的空间。英特尔的dimms由将会集成3d xpoint和dram，并利用3d xpoint的性能特点来优化处理器和架构。
不过，这项技术的未来仍不确定。英特尔和美光正在分别开发3d nand和3d xpoint。正如之前宣布的，两家公司将完成目前两类产品的开发，然后独立开发这些技术。目前还不清楚美光是否会推出3d xpoint产品。迄今为止，美光还没有推出3d xpoint产品，因为这项技术似乎与其dram和nand产品存在竞争。
显然，英特尔有资源独自开发3d xpoint。但问题是，英特尔是否会利用这项技术收回其大规模的研发投资。
与此同时，这行业还在开发其他新的存储器，如mram和reram。与3d xpoint一样，mram和reram可以作为独立产品进行生产和销售。
3d xpoint不是作为嵌入式存储器出售的。相比之下，mram和reram可以用于嵌入式存储市场。
对于mram，该行业正在开发下一代技术，称为自旋传递转矩mram(stt-mram)。stt-mram利用电子自旋的磁性为芯片提供非挥发性特性。它结合了sram的速度和flash的非波动性，具有无限的持久性。
图片4：stt-mram存储单元
在传统存储器中，数据以电荷的形式存储。相比之下，mram使用一个磁隧道结(mtj)存储单元作为存储单元。
mtj由一个存储器堆栈组成，它可以为给定的应用程序重新配置。但在调优mtj堆栈时，在持久度、数据保留和写入脉冲宽度方面存在一些权衡。在mtj堆栈的设计中，存在固有的权衡。例如，你可以通过放弃数据保留来优化栈的耐久性，反之亦然。
这允许人们以不同的方式处理不同的应用。例如，如果你正在执行嵌入式mram，并且正在尝试构建一个用于代码存储的嵌入式nvm，那么提高数据保留和放弃持久性的能力则非常适合这个应用。
迄今为止，everspin是唯一一家基于stt-mram的独立部件的公司。everspin已经推出一款基于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、东芝、sk hynix、spin transfer等公司仍在研发stt-mram，但尚未投产。
嵌入式mram的发展势头正在增强。globalfoundries、三星(samsung)、台积电(tsmc)和联华电子(umc)正在为代工客户开发28nm/22nm的嵌入式mram。
在嵌入式市场中，行业使用微控制器(mcus)。mcus在同一芯片上集成了多个组件，如cpu、sram、嵌入式存储器和外设。嵌入式存储器(如nor flash)用于代码存储。
基于40nm及以上的嵌入式或nor flash的mcu处于出货阶段。目前，该行业正在研发28nm制程的mcu，16nm/14nm制程芯片。
问题是，在28nm及更大范围内扩展嵌入式flash是很困难的。umc产品营销总监david hideo uriu说道，“许多人认为28nm/22nm制程将是eflash的终结，不是因为可扩展性的限制，而是因为经济障碍。”“你能将嵌入式flash扩展到28nm以上吗？”答案是肯定的，因为我们将在22nm节点支持它。但是宏观设计的本质上和28nm是一样的。
“一旦超过28nm/22nm，eflash将需要多于15个掩模加法器在前端线的进程。额外的掩模加法器制造了成本障碍，为铸造行业带来挑战，无论是寻求替代非易失性存储器，还是继续投资额外的资源以推动现有eflash技术的边界，”umc产品营销总监david hideo uriu补充道。
因此，功耗低、读写速度快的嵌入式mram正在开发进程中，将会取代28nm及以上的嵌入式nor flash。这是globalfoundries前沿cmos副总裁mike mendicino的看法。
例如，低功耗单片机可能需要快速唤醒和安全功能。mendicino认为，“mram可以取代传统的嵌入式flash，也可以替代一些sram。”
对于高速缓存，sram占据了芯片很大一部分。嵌入式mram还可以承担一些基于sram的缓存功能，从而节省空间和成本。mram本身可以在这些设备上节省电能。“但如果人们把一个性能出色的mram放到一个平庸的平台上，那是难以实现的。”mendicino如是说道。
然而，嵌入式mram仍然存在一些挑战，即是在设计中的集成技术能力。成本也是另一个重要因素。“客户希望新兴的嵌入式非易失性存储器与eflash一样具有成本效益。这一预期给整个行业带来挑战，但这将是很难实现的，但解决方案应该能够以现在的成本点来维持当前的价格竞争力。”umc的uriu说。
与此同时，reram也取得进展，但尚未达到3d xpoint和mram的水平。一般来说，ream有两种类型——氧空位ream和cbram。
在这两种情况下，开关介质位于顶部和底部电极之间。当正电压作用于电极上时，在两个电极之间形成导电丝。灯丝由离子原子组成。当在底部电极上施加负压时，导电丝就断裂了。
图片5：reram运作过程
reram涉及一个复杂的过程。mram和reram都有类似的读取和数据保留规格。但与reram相比，mram具有更高的温度规格，这令mram在汽车等应用领域更具优势。umc的uriu表示:“简单来说，mram可以更多地运用于汽车，但reram目前只适用于消费级应用。”
图片6：mram vs.reram
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同时，在研发方面，nantero正在研发碳纳米管。对于嵌入式应用，富士通预计将提供第一款基于nantero技术的纳米碳管ram。
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因此，下一代存储器正在不断推进，为oem厂商提供了大量的选择。但要成为主流设备，对于它们来说，还有很长一段路要走。
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