新兴存储冰火两重天

  从上世纪70年代起，DRAM进入商用市场，并以其极高的读写速度成为存储领域最大分支市场；功能手机出现后，迎来NOR Flash市场的爆发；进入PC时代，人类对于存储容量的需求慢慢的变大，低成本、高容量的NAND Flash成为最佳选择。

  存储技术发展更迭50年，如今逐渐形成了DRAM、Flash和SRAM这几大主要领域。

  然而，随着半导体制造技术持续朝更小的技术节点迈进，新兴应用场景对数据存储在速度、功耗、容量、可靠性等层面提出的更加高的要求，传统路径中延续技术创新的弊端已经暴露出来，DRAM、NAND Flash等开始面临越来越严峻的挑战，再加上这些存储技术与逻辑计算单元之间发展速度的失配，严重制约了计算性能和能效的进一步提升。

  目前业界主要聚焦的新兴存储器最重要的包含四种：铁电存储器（FeRAM/FRAM）、阻变存储器（ReRAM/RRAM）、磁性存储器（MRAM）和相变存储器（PCM），这些新兴存储技术旨在集成SRAM的开关速度和DRAM的高密度特性，并具有Flash的非易失特性。

  面对新旧技术冲突，当前DRAM和NAND的行业统治趋势能否持续下去？还是FeRAM、ReRAM、MRAM或PCM等新兴内存技术将取代它？未来存储市场的走势和命运会是什么样子？

  2022年7月28日，自3D XPoint内存技术推出7年后，英特尔宣布将关闭其Optane（傲腾）内存业务。对存储行业而言，这一条消息或许并不算意外。傲腾作为英特尔非易失性内存的首个商业化产品，业务推进并不顺利，其产量永远无法达到芯片价格合理的水平。

  而FeRAM则是另一种新的内存候选技术。多年以来，内存行业一直在开发FeRAM和其他下一代内存技术，旨在填补传统内存的技术限制和空白。

  FeRAM，全称为Ferroelectric RAM（铁电随机存取存储器），又称铁电存储器。FeRAM采用铁电晶体材料作为存储介质，利用铁电晶体材料电压与电流关系具有特征滞后回路的特点来实现信息存储。

  FeRAM产品将ROM的非易失性数据存储特性和RAM的无限次读写、高速读写以及低功耗等优势结合在一起。

  非易失性：FeRAM最显著的特点是其在断电后数据不会丢失，是非易失性存储器；

  高速读写：FeRAM的读写速度相对较快，存取时间通常在50ns左右，循环周期约为75ns，这使得它在需要快速数据访问的场合具有优势；

  寿命长：FeRAM具有较高的读写耐久性，通常能达到数十亿次的读写循环，远超过传统的EEPROM和闪存；

  低功耗：由于FeRAM在存储数据时不需要额外的电源来维持数据状态，因此功耗相对较低；

  FeRAM存储密度较低、容量有限，虽无法完全取代DRAM与NAND Flash，但在对容量要求不高、读写速度和频率要求高、常规使用的寿命要求长的场景中拥有发展的潜在能力，适用于智能手表、智能卡、物联网设备等消费电子领域，和汽车和工业机器人领域。

  回顾发展历史，早在1920年就有科学家提出了铁电材料概念；1952年，麻省理工学院的硕士生在论文中首次提出以铁电电容作为数据存储元件的概念；1991年，美国Ramtron公司（被赛普拉斯收购）开始生产2T/2C结构的低位FeRAM产品；1993年，Ramtron开发出全球首款可量产的4Kb FeRAM产品；1996年，日立公司研制出256kb FeRAM并于同年12月上市。

  目前，FeRAM市场的主要参与企业包括英飞凌（收购赛普拉斯）、富士通、德州仪器、IBM和美光等，这一些企业为智能电表、汽车系统、可穿戴设备和物联网设备等应用提供多种铁电存储器产品。

  富士通拥有适用于汽车和工业应用的高速铁电存储器产品，从开始交付给工业市场已超过20年；德州仪器提供基于FeRAM的微控制器，用于物联网设备和可穿戴设备；IBM为服务器应用提供铁电存储器技术；英飞凌则专注于为汽车和工业控制管理系统提供铁电存储器解决方案。

  2023年12月，美光在IEEE IEDM会议上披露其32Gb 3D NVDRAM研发成果，这比此前富士通和SK海力士的8Mb产品，以及英飞凌的16Mb和东芝的128Mb产品要大很多。

  据悉，NVDRAM内存基于铁电性原理，可在拥有类似NAND闪存的非易失性的同时获得接近DRAM的高耐久和低延迟。该新兴内存采用双层3D堆叠，32Gb的容量密度创下了铁电性存储器的新纪录。美光已基于LPDDR5规范对NVDRAM样品进行了测试，认为其适合AI负载，但量产时间未知。

  早在2021年3月，美光退出Optane 3D XPoint市场时就曾表示：“美光计划将从3D XPoint计划取得的突破中获得的知识，和相关的工程专业方面技术和资源，应用到以内存为中心、针对内存存储层级的新兴产品中。当时，FeRAM可能就是其目标。”

  此外，积塔半导体也联手国内新兴铁电存储器供应商无锡舜铭存储科技优先公司，于2023年12月率先推出国内首款110nm新兴铁电存储器产品，与现存技术相比，新产品面积缩小约40%~60%，性能大幅度提升，计划于2024年一季度正式量产。

  但其发展也面临一些挑战：首先，FeRAM的成品率受到阵列尺寸限制的影响，要进一步提高；其次，FeRAM在达到少数的读周期后有极大几率会出现耐久性下降的问题，这一定要通过材料科学和制造工艺的进步来解决；此外，FeRAM的制造成本也相比来说较高，需要随着生产规模的扩大和技术进步来降低。

  业界有观点认为，FeRAM与Optane陷入了同样的困境——没有可行的方法来实现大规模生产，从而将每块芯片的成本降低到可承受的水平，目前进展颇慢。

  美光就曾表示，如果市场足够诱人，美光可以生产NVDRAM产品以供销售，但前提是必须看到该技术的资本回报将比投资NAND或DRAM更高。

  如果美光、SK海力士、三星这样的大型存储厂商不大规模采用FeRAM内存，只依靠初创公司通过与代工厂的合作，走上开发和证明其产品技术的路还有很远。在这一些状况发生之前，FeRAM或许也只能更多的是停留在技术研究所的研究实验室中，无法大规模商业化落地。

  与FeRAM相比，ReRAM器件一直在积极、持续、成功地开发并实现商业化。汽车、物联网和其他应用是ReRAM的增长动力之一。

  ReRAM是以非导性材料的电阻在外加电场作用下，在高阻态和低阻态之间实现可逆转换为基础的非易失性存储器。作为结构最简单的存储技术，ReRAM结构看上去像一个三明治，绝缘介质层（阻变层）被夹在两层金属之间，形成由上、下电极和阻变层构成金属-介质层-金属（MIM）三层结构。

  导电细丝在阻变层中呈现导通或断开两种状态：非易失性的低阻态或高阻态，以此来实现了“0”，“1”状态的区分和存储。

  ReRAM包括许多不同的技术类别，目前主流的技术路线主要有：氧空缺存储器OxRAM、导电桥存储器CBRAM、金属离子存储器MeRAM以及纳米碳管CaRAM，通常是通过将金属离子或氧空位等导电元素移动到桥中，或者通过将它们从现有桥中移除，来表示1或0。

  高速度：ReRAM擦写速度由触发电阻转变的脉冲宽度决定，一般小于100ns；

  耐久性强：ReRAM读写和NAND不同，采用的是可逆无损害模式，从而能够大大提高其使用寿命；

  多位存储能力：部分ReRAM材料还具备多种电阻状态，使得单个存储单元存储多位数据成为可能，来提升存储密度；

  ReRAM结合了DRAM的读写速度与NAND的非易失性，从密度、能效比、成本、工艺制程和良率各方面综合衡量，ReRAM存储器在目前已有的新兴存储器中具备明显优势。

  凭借多种优势，ReRAM如今正作为嵌入式非易失性存储器（NVM）集成到慢慢的变多的工艺中，从130nm到22nm及以下，用于智能汽车、边缘AI、MCU、PMIC等各种应用。它具有低功耗、低成本、字节寻址、可扩展到高级节点等特点，并且对各种各样的环境条件具有很强的适应性。

  此外，基于ReRAM的类脑计算还能在中长期突破冯·诺伊曼计算架构瓶颈，被认为是实现存算一体的最佳选择之一。

  创建高度集成、节能和以性能为导向的ReRAM技术的竞争为各种应用程序的未来内存解决方案带来了令人兴奋的发展。例如，在无人驾驶汽车或智能工业机器人中，ReRAM凭借其低功耗和耐久性，能够在低能耗的情况下处理复杂的数据运算，并确保数据的持久性和可靠性。这些特性使得ReRAM在未来的边缘AI市场中具备广阔的应用前景。

  实际上，ReRAM并不是什么全新的概念，早在上世纪60、70年代就开始被关注。

  从行业来看，松下、瑞萨、西部数据、富士通、三星、索尼、Adesto、Crossbar是ReRAM领域的主要厂商。在代工厂方面，中芯国际、台积电、联电、GlobalFoundries等都正在为代工客户开发或提供ReRAM工艺。

  今年7月，国内头部面板厂商维信诺已完成世界首颗采用嵌入式ReRAM存储技术AMOLED显示驱动芯片的开发和认证。

  据介绍，这是首次在AMOLED中采用嵌入式RRAM存储技术的显示驱动芯片。对比现有传统显示驱动芯片采用内置SRAM+外置Flash方案来实现Demura补偿功能，该新型驱动芯片直接去除传统外置Flash芯片，有效解决了传统芯片存在的外置器件成本居高不下、补偿参数读取速度慢等问题，带来成本更低、面积更小、效率更加高等优势，是AMOLED显示驱动芯片技术的重要突破。

  5月，分析机构TechInsights报道称，台积电最新的22ULL嵌入式阻变存储器（eRRAM）芯片在存储技术上取得了重要进展，芯片被应用于Nordic Semiconductor的新款nRF54L系列系统芯片中，成为低功耗无线物联网解决方案的一部分，这是台积电的第二代eRRAM产品，拥有业界首个22纳米CMOS技术，据说能与嵌入式STT-MRAM相媲美。

  3月，字节跳动投资的昕原半导体，也是一家专注于ReRAM新兴存储技术及相关芯片研发的公司，覆盖高性能工控、车规SoC/ASIC芯片、存算一体（CIM）IP及芯片、系统级存储（SoM）芯片等应用领域。

  据悉，昕原半导体掌握一体化闭环技术，涵盖器件材料、工艺制程、芯片设计、IP设计和中试量产等环节，并建成了中国大陆首条先进制程ReRAM 12英寸中试后道生产线，推出的“昕·山文”系列ReRAM安全存储产品已在工业自动化控制领域实现商用量产。

  2023年8月，中科院微电子所刘明院士团队提出了高并行与高效能比的新兴RRAM存内计算结构。在器件层面，团队提出了带权重二晶体管一忆阻器（WH-2T1R）的存算阵列结构，减小了寄生效应对计算电流的影响，降低了乘加操作功耗。在电路层面，提出了参考电流减式电流型灵敏放大器读出电路，明显降低了读出电路功耗。在算法映射层面，团队提出了高位数据冗余（MSB_RSM）的映射策略，提高了计算精度。这些方案在团队自主开发的嵌入式28nm工艺上得到验证，RRAM存内计算结构在ResNet-18任务中的平均能效达到30.34TOPS/W，并可通过优化读出时序提升至154.04TOPS/W。研究成果发表在《IEEE Journal of Solid-State Circuits》上。

  2023年8月，后摩智能宣布完成首款可商用的RRAM大容量存储芯片的测试及应用场景开发。

  还有专注于研发基于ReRAM的全数字存算一体AI大算力芯片的亿铸科技。2023年，亿铸科技成功研发了首颗基于忆阻器RRAM（ReRAM）的高精度、低功耗存算一体AI大算力POC芯片，基于传统工艺制程，经第三方机构验证，能效比表现超出传统架构AI芯片10倍以上。

  此外，一家成立于2015年的以色列与法国合资公司Weebit Nano，多年来也在专注于ReRAM内存技术。

  在2023年8月的闪存记忆峰会上，Weebit Nano公司质量和可靠性副总裁Amir Regev介绍了嵌入式ReRAM市场的发展的新趋势及Weebit Nano在该领域的技术进展和成果。他指出，预计到2028年，新兴非易失性内存（NVM）市场将达到27亿美元，其中ReRAM有望占据37%的市场占有率，特别是在嵌入式应用中，随着MCU出货量的增长ReRAM将占据60%的晶圆体积。

  目前，Weebit通过向半导体公司和晶圆厂授权IP实现商业运营模式，其ReRAM技术已在28-130纳米工艺节点上得到硅验证，并成功在GlobalFoundries的22FDX平台上完成tapeout，计划于2024年开始大规模生产。

  Weebit在SkyWater制造的ReRAM模块已完成关键的资格认证，这标志着ReRAM技术成熟度的重要里程碑。

  Facebook和谷歌等一些公司已开发出了一些使用神经网络的机器学习系统。神经网络能够在一定程度上帮助系统处理数据和识别模式，这些系统很多都使用了带有基于SRAM的内存的FPGA和GPU。内存行业正在为这一领域研发ReRAM，与GPU/SRAM架构相比，ReRAM的密度大得多。

  但是神经形态系统要级联多个堆叠的ReRAM器件。在ReRAM进军该市场之前，内存行业必须要先小规模地掌控ReRAM。

  随着摩尔定律的逐渐放缓，找到能够很好的满足下一代计算需求的高效存储技术变得愈发重要。ReRAM在这一背景下，展现出了巨大的潜力。

  虽然ReRAM技术作为下一代内存解决方案很有前途，但仍面临着某些挑战，这些挑战阻碍了其广泛采用。首先是“sneak path”问题，该问题会导致电流泄露，并可能会引起内存的错误读取；其次，人们对氧气空位的形成和稳定能力存在担忧，这对ReRAM所依赖的电阻开关机制至关重要；此外，在存储器单元内创建均匀的电场以进行可靠的切换也是一个设计障碍。再有，尽管与闪存等传统存储器相比，ReRAM提供了能效，但增强此属性以满足超低功耗应用的需求是一个技术障碍。

  短期来看，ReRAM并不会取代NAND或其他主流内存，但它会寻找自我的位置，尤其是在嵌入式系统和别的需要高性能、低功耗、小型化和高密度存储解决方案的领域。

  除了FeRAM、ReRAM，其他新兴存储器技术如MRAM、PCM也得到了广泛讨论。这些技术各有其独特的优势和应用场景，但也面临着各自的挑战。

  在不断发展的技术领域中，某些创新技术因其有着重塑行业和重新定义性能标准的潜力而脱颖而出。磁阻随机存取存储器（MRAM）就是这样的重大性突破。

  MRAM，Magnetic RAM，又称磁性存储器，是一种基于隧穿磁阻效应的技术。

  MRAM使用磁性隧道结（MTJ）作为基本存储单元。每个MTJ由两层磁性材料夹着一层薄绝缘层组成，根据这两层磁性材料的磁化方向是否一致，MTJ表现出不同的电阻值，以此来存储信息。MRAM结合了DRAM的高速读写性能和SRAM的非易失性特性，同时具有低功耗、高耐久性、宽工作时候的温度范围以及几乎无限次的擦写循环等优点。

  读写次数无限：铁磁体的磁性不仅断电不会消失，而是几乎能认为永不消失，故MRAM和DRAM一样可以无限次重写；

  写入速度快、功耗低：MRAM的写入时间可低至2.3ns，并且功耗极低，可实现瞬间开关机并能延长便携机的电池使用时间；

  和逻辑芯片整合度高：MRAM的单元可以方便地嵌入到逻辑电路芯片中，只需在后端的金属化过程增加一两步需要光刻掩模版的工艺即可。再加上MRAM单元可以完全制作在芯片的金属层中，还可以实现2-3层单元叠放，故具备在逻辑电路上构造大规模内存阵列的潜力。

  MRAM研究集中在提高存储密度、降低写入能量、增加读写速度以及提高制作的完整过程的兼容性和成本效率方面。STT-MRAM因其较低的写入电流和更好的可扩展性成为研究热点，而SOT-MRAM则因其实现更低功耗和更快切换速度的潜力受到关注。

  与传统技术相比，MRAM是一种速度更快、耐用性更强、功耗更低的非易失性存储器，在汽车、工业、可穿戴设备、航空航天和国防等各行各业都获得了显著的重视与应用。

  通常情况下，专利申请是一项技术受到大量关注的明显标志，即一项技术的商业应用相关性越强，专利申请的数量就越多。

  据LexisNexis数据统计，2004-2013年间，MRAM市场的专利申请量保持稳定，每年约有300至400项专利申请。其中2011年出现了一个峰值。经进一步调查发现，2011年东芝增加了在这一技术领域的专利申请，因此导致了这一激增。

  值得注意的是，图表末尾的下降并不意味着兴趣的下降，而是专利申请和公开之间的滞后。

  据了解，考虑到专利组合的规模，LexisNexis将排名前10的公司分为三类：

  回顾MRAM的发展历史，早在2002年，台积电就与台湾工研院签订了MRAM合作发展计划。

  后续第一个商业化的MRAM是飞思卡尔半导体公司2006年生产的4Mb容量Toggle-MRAM；Honeywell和Cobham等公司也陆续推出了相关这类的产品；东芝2014年宣布用STT-MRAM代替SRAM，使得微处理器中的高速缓存功耗降低了近60%；2017年，北京航空航天大学与中科院微电子所联合成功制备国内首个80纳米STT-MRAM器件。

  2023年6月，深圳松山湖材料实验室自旋量子材料与器件课题组与加州大学洛杉矶分校、阿卜杜拉国王科技大学、电子科技大学和中科院物理所合作，实现了基于拓扑绝缘体和具有更高存储密度的垂直磁各向异性隧道结（pMTJ）相结合的SOT-MRAM存储器件。台积电更是开发出16／12纳米制程等相关MRAM产品线年，恩智浦与台积电合作，共同开发了业界首款车用16纳米FinFET嵌入式MRAM，以支持下一代汽车架构。这一合作凸显了MRAM在汽车领域日渐增长的重要性，其目标是提高先进汽车应用的性能和可靠性。

  今年1月18日，台积电携手工研院宣布成功研发出SOT-MRAM阵列芯片，标志着在下一代MRAM存储器技术领域的重大突破。这一创新产品不仅采用了先进的运算架构，而且其功耗仅为同类技术STT-MRAM的1%。

  除此之外，台积电还在积极探索SOT-MRAM和VC-MRAM，并与外部研究实验室、财团和学术合作伙伴合作。

  三星几乎与台积电同时，2002年宣布开始MRAM的开发计划。2005年三星又率先开始了STT-MRAM的研发，该技术后来被证明能够完全满足高性能计算领域对最后一级缓存的性能要求，被认为是突破利基市场的利器。

  2022年初，三星电子在顶级学术期刊Nature上发表了全球首个基于MRAM的存内计算研究。在欧洲举行的SFF 2023上，三星宣布了革新下一代汽车技术的愿景，并计划开发三星首款5纳米eMRAM。除了到2024年推出14纳米eMRAM外，公司还计划逐步扩大eMRAM产品组合，到2026年推出8纳米，到2027年推出5纳米。对比14纳米制程，8纳米eMRAM有望将密度提升30%，速度提高33%。

  尽管MRAM存储器具有耐用性和可大规模生产等优势，但MRAM也并非没有缺点，它还面临很多的挑战，比如真实器件材料体系复杂、开关比低，CMOS工艺要完全匹配等。此外，MRAM的发展仍然遇到动态功耗、能量延迟效率和可靠性方面的瓶颈。

  总体来说，MRAM距离技术成熟还有一定距离，同时还未凸显成本优势，加之其他新兴存储技术也在发展之中，只能说MRAM是现在较为有希望的那个，至于全面取代DRAM或NAND，MRAM还有非常长的路要走。

  PCM具有NAND的非易失性，以及DRAM高读写速度和长寿命的特点，同时兼具低延时、密度高、功耗低、可兼容CMOS工艺等优点，具有将外存和主存合二为一的可能性，未来有希望应用于高性能数据中心、服务器、物联网等场景。

  PCM在写入更新代码之前不需要擦除以前的代码或数据，所以PCM读写速度比NAND Flash有所提高，读写时间较为均衡；

  PCM读写是非破坏性的，故其耐写能力远超过闪存，用PCM来取代传统机械硬盘的可靠性更高；

  PCM没有机械转动装置，保存代码或数据也不需要刷新电流，故PCM的功耗比HDD、NAND、DRAM都低；

  PCM存储技术与材料带电粒子状态无关，故其有着非常强的抗空间辐射能力，能满足国防和航天的需求。

  目前PCM还未发现有明确的物理极限，研究表明即使相变材料降至2nm厚度，存储器件依旧可以发生相变。因此，PCM可能解决存储器工艺的物理极限问题，成为未来通用的新一代半导体存储器件之一。

  2006年，英特尔与三星合作生产了第一款商用PCM芯片。2015年，英特尔联合美光共同开发出一种革命性的PCM存储芯片——3D Xpoint，前者为该技术冠名为傲腾

  3D Xpoint技术在非易失存储器领域实现了革命性突破，虽然其速度略微比DRAM慢，但其容量却比DRAM高，比闪存快1000倍。

  但其缺点也较为显著，3D Xpoint采用堆叠结构。因为堆迭层数越多，需要的掩模就越多，而在整个IC制造工业中，掩模板成本占比最大。因此，从制造的角度来说，要想实现几十层的3D堆迭结构非常困难。

  不过，业界仍在研发PCM技术。在2022年初，华中科技大学集成电路学院信息存储材料及器件研究所

  论文中介绍了一种采用可相变SiTex纳米丝来大大降低PCM复位电流的新颖PCM器件。这种创新设计能够在不牺牲制造成本的前提下大幅度降低复位电流。具体而言，所开发的纳米丝PCM展现出约10μA的超低复位电流，这比高度缩放的传统PCM低一个到两个数量级。

  PCM技术的这一突破标志着行业在开启新的计算范式，尤其是那些可以从PCM独特特性中获益的应用方面迈出了重要一步。

  虽然PCM有诸多优势，但也存在着一些明显不足之处，PCM现阶段具有较多应用瓶颈，致使商业化停滞。首先，由于PCM存储过程依赖温度调节，具有对温度的高敏感度，导致其无法应用于宽温场景。其次，PCM存储器采取多层结构，以具备兼容CMOS工艺的特点，致使存储密度过低，不足以满足替代NAND Flash的容量条件。此外，成本和良率也成为其大规模产业化的瓶颈之一。

  多年以来，内存行业一直在寻找一种新的存储技术。无论是FeRAM、ReRAM、MRAM还是PCM，都旨在某些特定的程度上解决传统存储的“性能墙”和“存储墙”的问题，打破冯·诺依曼体系架构，消数据访存带来的延迟和功耗，实现更高的算力和能效比，但是四种新兴存储的具体技术特点和商业化程度有所不同。

  结合各类型技术特点和市场现状分析，这些新兴技术目前还不具备替代DRAM/NAND闪存的能力，但在数据爆发式增长的时代趋势下，新兴存储凭借所具备的超强性能、超长寿命、可靠性及耐高温等优秀的特性，将有望填补内存市场空白，成为存储器领域的新选择。

  正如文章开头所述，当前传统路径中延续性技术创新的弊端已经暴露出来，市场亟待能够很好的满足新场景需求的存储器产品，新兴存储迎来机会窗口。

  但需要警惕的是，在新兴存储发展过程中，内存行业仍在继续延展DRAM和NAND闪存，让新内存类型难以在市场上占据一席之地。

  展望未来，有行业专家这样认为，没有一点单一内存类型是全能的，可处理所有应用。每种技术都有不同的属性，擅于执行不同的功能。预计这些先进存储技术会率先被用于能体现和利用其特有优势的应用中。

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