NOR已逼近极限，低功耗应用盛行让晶圆代工厂关注新型内存

来源:电子工程专辑发布时间:2023-04-122713浏览

尽管有机会，但更高密度对大多数新兴内存来说仍然是一个挑战。

新世代内存正进入一个新的阶段，但没有像前几年负责该领域成长而备受瞩目相变内存(PCM)。就在分析师ThomasCoughlin与JimHandy汇整年度报告时，英特尔(Intel)宣布以PCM3DXPoint技术的Optane即将落幕，这表示“新世代内存进入下一阶段”进行最后的调整。

JimHandy的客观分析

“Optane即将消失，在我们报告内容中仍有很多Optane，”Handy在采访中告诉《EETimes》。

如果没有Optane，CoughlinAssociates与Handy的客观分析年度联合报告的主旨会是，新世代内存的下一阶段主要的芯片代工厂——三星(Samsung)、台积电(TSMC)与GlobalFoundries——出货具电阻式随机存取内存(ReRAM)或磁阻式随机存取内存(MRAM)。

Handy说：“这就是我们所期待大多商业模式的来源，”他另外提到，嵌入式新世代内存的成长将源于ReRAM与MRAM放置在微控制器(MCU)、ASIC、甚至现场可编程逻辑门阵列(FPGA)等组件中。“而且它主要作为NOR闪存的可替代式组件。”

NOR闪存体已达到了极限，因为它无法兼容在28纳米(nm)以下的工艺技术，这让用新兴的内存作替代成为低风险的方式，低功耗应用也很适用于新世代内存。

铁电随机存取内存(FRAM)是新世代内存很好的例子，它填补了低密度的利基需求——其辐射耐受性是英飞凌科技(InfineonTechnologies)将其应用于太空的原因。在今年年初时，英飞凌宣布其2MB的序列周边接口FRAM，该公司声称这是太空产业中的第一个辐射硬化(rad-hard)FRAM。除了辐射耐受性，FRAM在运作过程中的低能耗使其成为太空的首选，因为电力宝贵，而且与非挥发性E2PROM与串行NORFlash器件相比，还具有更出色的写入能力。

FRAM在汽车、外层空间领域具备可靠性

最近，英飞凌推出了8Mb与16Mb的ExcelonF-RAM内存，旨在满足下一代汽车与工业系统的非挥发性数据记录需求。这些系统与外层空间一样，工作环境恶劣，需要额外的保护来协助防止数据遗失。英飞凌汽车部门RAM产线负责人RameshChettuvetty在接受《EETimes》采访时表示，这些最新的FRAM提供业内最高的密度，能符合自动化，并提高与传感器连接，快速成长所带来的数据记录的要求需求。

英飞凌的ExcelonF-RAM内存满符合汽车与工业系统非挥发性数据记录要求，这些系统与在外层空间一样，工作环境恶劣，需要额外的保护来帮助防止数据遗失。

(来源：英飞凌科技)

英飞凌在FRAM方面的投资可以回溯到很久之前，部分原因是收购了赛普拉斯（CypressTechnologies）。Chettuvetty提到，除了低电力与耐辐射之外，新世代内存的吸引力在于其数据传输时的可靠性，使其成为汽车等业界执行重要任务数据记录的首选，因为在上述业界中，对数据记录的要求非常严格。FRAM是目前NOR闪存的理想替代品，NOR闪存损耗很快，不过在对数据记录的要求并非重要任务的地方，闪存仍然是首选，因为价格便宜。

无论可靠性要求如何，低密度FRAM仍有市场的需求，即使记录产生的数据量增加。如果空间是最后的战场，那么高密度就是FRAM的下一个战场。

Chettuvetty说：“现有技术在密度上存在一定的限制。”他无法详细说明，但英飞凌正在探讨如何透过研究不同的材料将FRAM的密度提高到16Mb以上。

FRAM因其非挥发性和低功耗而存在了将近40年，这得益于，与其他内存相比，FRAM具备较低的开关能源。正如Coughlin/Handy报告所提出，这种新兴的内存似乎比所有其他新兴的内存类型总和的销售量还多。利用FRAM的低写入能源的应用是富士通(Fujitsu)生产地铁票卡的RFID芯片，每笔交易都是由无线电信号所产生的电能来驱动。

FRAM面临的挑战是，由于铅(lead)与铋(bismuth)的材料问题，很难与标准CMOS工艺结合，因此它在较小的工艺中不能量产——能够与现有的CMOS工艺结合并采用3D技术是量产的重要因素。今天，三种类型的FRAM单元的开发工作仍在继续：基于电容式FRAM、铁电场效晶体管(FeFET)与氧化铪锆铁电穿隧接面(ferroelectrictunneljunction)。报告指出，在过去十年中，新的无铅与无铋材料对FRAM燃起新的希望，其中包括氧化铪(hafniumoxide)。

德国Dresden铁电内存(FMC)在NAMLABS于2011年发表氧化铪研究基础上，克服FRAM的限制。氧化铪可作为所有高介电常数金属栅极(HKMG)工艺节点的栅极绝缘体，从而采用标准式HKMG晶体管，并将其栅极绝缘体修改为铁电，以创造一个非挥发性的HKMG晶体管——FeFET。

FRAM和ReRAM都有相似的成功和挑战。两者都具有耐辐射性，并且在较小的密度下取得了一些成功，但ReRAM也在努力扩大密度，并实现离散内存商业化。WeebitNano可以说是最活跃和最引人注目的ReRAM公司，该公司的大部分重点一直是为其离散式氧化硅ReRAM开发必要的选择器技术。

ReRAM透过选择器的进步来打破障碍

这家以色列公司完成对其研发伙伴CEA-Leti所制造的ReRAM模块全面的技术鉴定，CEA-Leti在Weebit的进展中发挥了重要作用。Weebit营销副总裁EranBriman提到，该鉴定是根据JEDEC非挥发性内存(NVM)的业界标准来进行，证实Weebit的嵌入式技术适合批量生产。其ReRAM展示芯片包括完整的嵌入式应用子系统，包括WeebitReRAM模块、RISC-VMCU、系统接口、内存与接口设备。

今年年初，WeebitNano展示了其如何将最初的ReRAM模块结合到一个完整的子系统中，包括一个RISC-VMCU、系统接口、静态随机存取内存(SDRM)与周边。

(来源：WeebitNano)

同时，Weebit的嵌入式ReRAM模块已经从SkyWater的美国生产厂交付给Weebit——这是第一次从生产厂收到WeebitReRAM的硅晶圆——并证明其ReRAM可以用标准工具与成熟的工艺生产，使其更容易被客户的系统单芯片(SoC)设计所采用。

Briman在接受《EETimes》采访时说到，Skywater的交付是一个重要的里程碑。它与鉴定在选择器方面取得进展之后进行。该公司与CEA-Leti一起，最近展示了其ReRAM选择器如何使用标准材料与工具实现离散芯片所需的高密度，同时也能够嵌入应用，为未来SoC提供更高的NVM密度。他说，这意味着该选择器可以在台积电等晶圆代工厂结合到嵌入式设备中。“这相当有意义，因为这意味着我们可以缩小这些内存数组尺寸。”

Weebit的嵌入式ReRAM模块已经从SkyWater的美国生产厂交付给该公司，说明其ReRAM可以用标准工具与成熟的工艺流程制造。

(来源：WeebitNano)

精心设计一个选择器是很重要的，因为它可以确保只有应该被存取的特定单元实际被存取，而所有其他单元都被断开，不会受到影响。嵌入式ReRAM设计传统上使用晶体管作为选择器组件，但它们增加了一个储存位的单元面积，不能支持离散芯片所需的高密度。进一步发展ReRAM的其他方法包括3D堆栈式ReRAM交叉点结构与技术，可以提高每个芯片的位容量，以及最大限度地降低成本。

Weebit两年前开始加大离散ReRAM的开发力道，当时的驱动力是潜在客户的迫切需求，以及离散ReRAM在遇到量产挑战时，成为NOR闪存替代品的现实机会。正如Weebit首席执行官CobyHanoch之前告诉《EETimes》的那样，当时的计划是，嵌入式ReRAM的收入将为离散方面的进展提供资金，包括选择器，而对神经形态运算应用的资源投入时机是一个长期的机会。

Briman说，与英飞凌的FRAM一样，Weebit的ReRAM是工业级的，这使得它对包括汽车与航空航天在内的恶劣环境非常有用，特别是在闪存无法处理辐射的地方。“我们的产品面对辐射非常强健；在高温状态也非常稳健。”

他说，YoleGroup发表的其他研究报告预测，嵌入式ReRAM市场将在5年内达到10亿美元大关，而且晶圆代工厂、晶圆厂与整合组件制造商(IDM)也有很大的兴趣。

Weebit营销副总裁EranBriman

Briman说，ReRAM的主要挑战是继续缩小到更低的工艺节点。Weebit很快就会推出22纳米与8Mb元组的内存模块，“而且我们已经在研究更先进的工艺节点”。但他并指出，每个节点都有自己的资格要求，以确保可靠性与耐用性，同时在缩小规模时保持内存单元的电流与电压，所以前面有许多技术挑战。“从嵌入式市场开始，它的内存数组较小，是进入这个市场的一个更好的入口。嵌入式领域有足够大的市场机会。”

根据Coughlin/Handy的报告，除了Weebit之外，目前还有一些ReRAM组件可用于特殊应用。CrossBar已经对一个40纳米的ReRAM进行了采样，由其代工伙伴中芯国际制造，Microsemi(已被Microchip收购)与Microchip授权其技术。该公司最近一直专注于将其技术应用于硬件安全应用，其形式是基于ReRAM的加密物理不可仿制(unclonable)功能密钥，可在安全运算应用中生成。这些密钥并不是新技术，但由于网络银行与物联网(IoT)的出现而得到更多关注，这为银行卡或支付终端等专用电子设备的数字安全之外创造了机会。

Coughlin/Handy报告指出的ReRAM的其他应用包括人工智能。与PCM一起，它非常适合在通常被称为神经网络的架构中储存线性加权配置，这是一种非常简化的推理引擎，可以在非常短的时间内以低精准度执行大量的数学运算。

MRAM实现了更高的密度

与FRAM与ReRAM不同，MRAM作为离散与嵌入式内存在量产与提供显著密度方面取得了更多进展，它有多种形式，其中有两种更常见的内存产品：Toggle模式与自旋转移矩(spintransfertorque，STT)。切换式MRAM正在成为替代SRAM的持久性内存标准，并被用于运输、航空航天、企业、医疗、物联网与工业应用。

随着STTMRAM密度的扩大，它正逐渐走向成为数据中心应用的通用内存，因为与Toggle相比，它可以达到更高的密度、更低的功耗，并降低成本。EverspinTechnologies拥有离散与嵌入式内存件的产品线，最近，该公司推出了EMxxLXSTT-MRAM组件，该组件设计用于数据持久性与完整性、低电力、低延迟与安全性至关重要的电子系统，如工业物联网(IIoT)、网络/企业基础设施、过程自动化与控制、航空航天、医疗、游戏与FPGA配置。

EverspinTechnologies总裁暨首席执行官SanjeevAggarwal在接受《EETimes》采访时提到，其最新的MRAM可以在高密度下取代NOR闪存。对于Everspin来说，将离散的MRAM产品推向市场要比嵌入式产品更快，对于后者，它正与GlobalFoundries等代工伙伴进行大量合作。虽然Toggle和STTMRAM在温度范围、速度和数据保留方面都非常适合工业应用，但“STTMRAM允许我们将MRAM从低密度扩展到高密度，”Aggarwal提到。当其进入更小的节点时，所需要更的电流会更少。

EverspinTechnologies总裁暨首席执行官SanjeevAggarwal

Aggarwal说，Everspin已经为数据中心应用提供了近五年的DDR接口MRAM，并不断扩大其SRAM替代产品的市场比重。MRAM替代的另一个候选者是NOR闪存，与其他新世代内存相比，它的优势之一是不需要做任何擦除。Aggarwal说：“对于电阻式内存，需要有一个擦除命令，这会导致更长的延迟与更高的功率。”他并补充，另一个市场机会是在FPGA内，它也采用NOR闪存。

尽管MRAM有这么多机会，Aggarwal并不幻想它能完全取代DRAM，包括低电力DRAM或NAND闪存。“我不认为从成本角度来看，我们将永远没有竞争力，但我们能做的是作为相邻的内存。且作为相邻的内存，STTMRAM仍有相当大的优势。”

Aggarwal表示，邻接可以透过ComputeExpressLink(CXL)接口来促成，该接口旨在优化内存资源的使用，以便将正确的内存用于正确的工作负载，同时尽量减少数据必须传输的距离。“CXL所做的是允许你在设备侧处理具有不同延迟的内存。在这个意义上，CXL是MRAM可以使用的接口。”

Coughlin/Handy报告指出，MRAM的重要优势在于它需要更少的屏蔽，从而降低了生产的复杂性。由于PCM尚未成为一种可行的代工技术，而ReRAM在很大程度上仍处于研究与开发阶段，嵌入式MRAM看起来是嵌入式NOR闪存的数据与程序代码储存的合理替代物。它还能耐受辐射，使它对空间硬化的应用非常有用。Everspin最近与QuickLogic签订了一份合约，提供MRAM技术、设计与后段制造服务。他们将共同开发与演示战略防辐射、高可靠性的FPGA技术，以支持已确定与未来的美国国防部(DoD)策略与空间系统要求。

报告指出，除了Everspin，其他著名的MRAM开发商包括AvalancheTechnology，该公司几年来一直在研究自家版本的垂直STTMRAM，并主要关注军用级产品，而三星为其嵌入式产品制定了广泛的MRAM开发计划。2022年初，该公司展示了一种处理储存资料并用于人脸检测的内存运算MRAM芯片；三星的芯片将操作数素添加到64×64单元的MRAM组件横条数组中，以加快人工智能任务。

近年来另一个备受瞩目的新兴内存是PCM，但其在市场上的成长完全依赖美光(Micron)和Intel联合开发的3DXPoint技术。随着美光在2021年3月退出该市场，几乎没有什么产品开发，而Intel在经过认真的开发投资和营销后，在2022年夏天停掉了其Optane固态硬盘(SSD)和DIMM，Handy想知道Intel是否会为他们花了“一大笔钱”的技术找到一个新家，由于Optane并未成功，所以他怀疑是否有人会再追捧它，但如果Intel出售专利或工程师接手经营一家可以为其他应用做PCM的独立公司，他也不会感到惊讶。