在新型工艺节点上，新型非易失性存储器（NVM）技术有望取代闪存，成为嵌入式应用领域的主流存储技术。磁阻式随机存取存储器（MRAM）和阻变随机存取存储器（RRAM）最有可能成为主流候选方案，而相变随机存取存储器（PCRAM）则只能在旧工艺节点上继续使用。
与此同时，另一家公司正在开发一种全新存储单元架构——它甚至有可能取代DRAM。而铁电随机存取存储器（FeRAM）也蓄势待发。
RRAM和MRAM很可能长期共存，前者成本更低，后者速度更快，更能应对极端条件。两者都比嵌入式闪存更具优势，尤其是在现代工艺节点上，但考虑到NAND闪存的成本优势，它们不会对独立闪存构成威胁。而且任何全新存储单元技术都需要时间获得行业认可。
促使人们考虑非闪存技术的原因之一是持续收紧、价格大幅上涨。“未来数年，HBM、DRAM、NAND都要应对近乎无止境的需求。”Everspin销售副总裁Sean Dougherty表示，“头部厂商把现有产能优先供给少数大客户，削减甚至退出其他行业的供货。”
三大长期竞争对手
过去几年中最引人注目的三种非易失性存储器技术是MRAM、RRAM和PCRAM。MRAM作为一种独立存储器已经实现商用，但主要面向专用场景。PCRAM技术最初应用于音乐CD，但作为存储器的发展却面临挑战。RRAM则是一种较新的技术，但正在逐渐获得市场认可。
联电区域营销副总裁Suhail Zain表示：“MRAM通常定位速度更快、耐久性更高的嵌入式应用场景，例如持久工作存储器。”
与此同时，RRAM凭借成本优势，正瞄准更广泛的系统领域。“RRAM通常用作通用嵌入式非易失性存储器，适用于物联网MCU（MCU）中的固件存储或电源管理芯片（PMIC）中的配置存储器等应用。”Zain表示。
表1：联电工艺实现的RRAM与MRAM性能参数。数据来源：联电
新思科技嵌入式存储器首席产品经理Daryl Seitzer表示：“MRAM和RRAM都在获得越来越多的关注。从成熟度来看，MRAM推进较快，而RRAM的商业化进程也在加速。Nuvaton和英飞凌等公司都推出了集成在MCU中的RRAM。”
尽管经过多年的努力，PCRAM在竞争中逐渐落后。目前还没有商业产品问世，也没有厂商推进其向鳍式场效应晶体管（FinFET）及更先进制程移植。新思科技为嵌入式存储器开发编译器，如果客户有需求，他们也可以为PCRAM开发编译器。Seitzer称：“尚未有客户明确提出需求，希望实现PCRAM嵌入式集成、芯片设计适配，并配套对应的编译器工具。”
业内也认同这一观点。英飞凌嵌入式控制器技术概念杰出工程师Robert Wiesner表示：“PCRAM已在平面CMOS工艺实现商用，但暂无厂商推动其落地FinFET节点，RRAM与MRAM则持续开展相关研发。”
可扩展性为关键因素
MRAM和RRAM蓬勃发展的主要优势之一在于它们能够扩展到新的工艺节点。而闪存则基本停留在28nm节点。它凭借3D架构保持成本优势，这使得闪存的价格远低于其他技术。闪存统治力极强，各类新型存储技术并未在独立存储赛道与其正面竞争。
Seitzer表示：“独立闪存具有很强的成本优势。目前RRAM或MRAM独立芯片的市场需求并不高。”
尽管闪存在独立存储器方面可能具有优势，但在嵌入式应用中情况则截然相反。“在28nm及之后的工艺（例如FinFET）中，将闪存集成到最先进的CMOS工艺中已成为一个重大难题，”Wiesner说道，“工艺复杂性大幅增加，而进一步微缩空间陷入停滞。”
因此，MRAM和RRAM被视为嵌入式存储器的主要发展方向。二者相比嵌入式闪存所需新增工艺步骤更少，并且支持字节寻址，而NAND闪存不具备该特性。NOR闪存也支持字节寻址，并且更常用于在MCU中存储代码。但是，如果单片MCU需要采用FinFET工艺，则NOR闪存无法使用。而这正是MRAM和RRAM的适用场景。
Zain表示：“二者一大核心优势是主要在芯片后端工艺实现集成，仅需少量新增掩膜层，就能较为简便地嵌入现有逻辑工艺平台。”
Everspin首席执行官Sanjeev Aggarwal表示：“像三星、台积电或格罗方德等晶圆代工厂都在提供嵌入式MRAM以及嵌入式RRAM。客户在有商业应用时会选择RRAM，而在注重性能和可靠性的领域，例如工业和汽车行业，则会选择MRAM。”
晶圆代工厂致力于这两条技术的发展。“RRAM和MRAM都被纳入晶圆代工厂的长期发展路线图。RRAM更多地用于成本优化的代码闪存替代方案，而MRAM可以像SRAM一样用于数据存储以满足高耐久性要求。”Wiesner说。
Seitzer对此表示赞同：“台积电的路线图覆盖12nm和6nm工艺。”
能否替代SRAM？
部分厂商尝试替代SRAM，核心动因是SRAM占用大量芯片面积。Dougherty表示：“工艺持续演进，嵌入式SRAM单元密度难以同步提升，存储器持续占用芯片绝大部分面积，推高整体成本。”
业界的目标是依靠非易失性存储器实现末级缓存。“MRAM的读取速度不如SRAM快，”格罗方德产品管理副总裁Jamie Schaeffer表示，“它们距离皮秒级的读取速度还差得很远，但接近10皮秒的读取速度。”
尽管MRAM和RRAM的特性有所不同，但它们的用途却有很多重叠之处。MRAM适用于航天、汽车等严苛环境。如果优化侧重读取速度，性能可以超越RRAM，其目标应用范围非常广泛。
但这类存储器件制造要求严苛。泛林集团全球产品管理工程高级总监Anish Khandekar称：“多数新型非易失存储器可以依托现有半导体产线制造，但独特的集成难题使得工艺要求远超常规存储流程。例如，MRAM图案化通常需要离子束刻蚀精准定义磁性堆叠结构，常规等离子刻蚀无法满足材料加工要求。同时器件受后端热预算严格限制，必须采用高精度低温化学气相沉积（CVD）与原子层沉积（ALD）工艺，材料层面挑战很大。”
MRAM具有速度优势
MRAM有三类主流技术方案。Toggle MRAM问世最早，由Everspin推出独立存储产品实现商用。当前商业化版本为STT-MRAM，存储单元尺寸小于Toggle MRAM。其性能与耐久度存在取舍关系，需要针对特定应用进行优化。
MRAM读写速度快、耐用性好，因此目前市面上常见的Toggle MRAM主要用于需要持续写入的数据记录。“无需考虑损耗程度，也无需外接电池或电容维持数据，”Dougherty解释道。
“耐久性和性能之间存在权衡，但这不一定是工艺上的区别，”Seitzer说，“这是实现方式上的区别，取决于单元写入驱动强度。”
第三种方案——SOT-MRAM旨在解决STT方案的取舍难题，目前仍处于研究阶段，距离商业化可能还有数年时间。Dougherty称：“据我所知暂无商用产品推出。”
关键在于找到适合特定工作负载或应用的方案。Zain表示：“MRAM是一种后端存储器，是非易失存储器中读写速度最快的品类之一，适合环境可控场景下的持久性工作内存，包括航天系统、具备防护环境的车载设备。”
Schaeffer表示：“MRAM适配工作环境严苛的车载MCU与工业自动化场景。”
Dougherty认为：“MRAM将在边缘人工智能领域发挥重要作用。边缘人工智能嵌入式系统对存储密度、读写性能需求极高。”
然而，对于外部磁场是否会对MRAM造成影响，目前似乎存在争议。对于Toggle MRAM来说，外部磁场可能构成影响，但它们通常采用屏蔽封装。Everspin公司表示，STT MRAM本身不受磁场影响，但业内仍普遍存在相关顾虑。
Wiesner表示：“对部分应用而言，MRAM的磁场敏感性是重大隐患，生产流程与实际使用场景都必须满足磁场指标要求。”
作为唯一一家量产独立MRAM的供应商，Everspin公司却持不同观点。“我们的STT MRAM具有抗磁干扰能力，这取决于我们所用材料的特性，”Aggarwal说道。
RRAM主打低成本
RRAM有两种类型。导电桥随机存储器（CBRAM）依靠电介质内部金属导电丝的生成与断裂实现开关；氧空缺基忆阻器（OxRAM）通过调控电介质内氧空位实现阻变切换。OxRAM在竞争中占据上风，已经集成至MCU产品。
Zain表示：“由于OxRAM所用材料为CMOS中常见的金属氧化物和惰性电极，因此它更适合晶圆厂大规模量产集成，后端集成更简洁，污染风险更低。CBRAM依靠活性金属离子电化学迁移形成、溶解导电桥，容易引发金属扩散污染，在逻辑晶圆产线中对工艺窗口、可靠性冗余设计要求更高。”
OxRAM在宽温环境稳定性上同样优于CBRAM。“OxRAM依靠氧空位与导电丝调控完成开关切换，而非反复电镀、剥离金属导电丝，高温数据保存能力与稳定性更强，适合需要高温长期保存数据、宽工作区间稳定运行的场景。”Zain说道。
RRAM读取速度较快，但OxRAM的写入速度却很慢。Aggarwal表示：“写入速度接近闪存，部分情况下甚至更慢。虽然不需要整块擦除操作，但写入耗时依旧偏高。”
从优点来看，RRAM成本更低，尺寸更小。Wiesner称：“RRAM工艺架构简洁，后端堆叠结构仅包含小型电容（下电极、电介质、上电极），搭配标准CMOS选通器件，无需特殊材料与专用设备。”
Zain表示：“RRAM与前端CMOS工艺具有很强的兼容性，因此非常适合300mm eNVM SoC平台，包括基于MCU的应用。这种适应性也使其也能够集成至BCD（双极-CMOS-DMOS）、嵌入式高压等特色工艺。”
英飞凌已选择RRAM用于28nm以下制程节点的MCU。”英飞凌与台积电联合开发的ATV系列RRAM满足以往嵌入式闪存的全部核心指标：175°C下数据保持时间超过1000小时（在125°C下约8年，在40°C下约20万年），可支持25万次代码改写，读取时间仅需15.2纳秒，工作温度范围为-40至160°C，水平优异。”Wiesner表示。
英飞凌认为RRAM制造难度低于MRAM，同时也在研究MRAM方案，目标用作数据存储以替代SRAM。
低调实现量产的方案
FeRAM技术已经研发多年，并且已用于一些特定用途的商业化生产。它依靠电介质两种不同晶相取向代表存储状态，该电介质单元等效电容，CEA-Leti将其命名为FeCap。
FeRAM的一大优势是极高的耐久性。CEA-Leti集成与器件工程师Laurent Grenouillet表示：“如果需要持续写入并长久保存数据，FeRAM极具吸引力，这也是当前商用产品将其用于数据记录的原因。”
FeRAM的另一个优点是写入功耗低。“铁电存储器的优势在于，只需在FeCap两端施加电压（几乎不需要电流）即可写入信息，”Grenouillet说道，“而电阻式存储器则需要电流流过器件，能耗通常高出100倍。”
目前FeRAM面临的最大挑战是尺寸微缩。“基于锆钛酸铅（PZT）的产品已经商用多年，但无法继续微缩，制程止步于130nm。PZT与CMOS工艺不兼容，也无法通过原子层沉积工艺制备。”Grenouillet解释。
CEA-Leti近期宣布，他们已成功实现利用铪锆氧化物（HZO）作为存储单元材料，成功在22nm实现FeRAM集成。HZO材料已广泛应用于CMOS晶圆厂，并可通过原子层沉积（ALD）技术进行沉积。该团队目前正在使用7nm的薄膜，持续推进至5nm、4nm节点研发。
“嵌入式FeRAM集成仅需新增2至4层掩膜。20nm节点下，单元面积可比SRAM缩小40%。”Grenouillet称。存储电容采用垂直结构，形态类似DRAM电容，高度可达1微米。“FeCap面积越大，存储窗口裕量越高。”
美光数年前曾研发32Gb FeRAM产品，命名NVDRAM。读写时序特性对标常规DRAM，其本质上是一种非易失性版本DRAM。然而，公司至今尚未将其商业化，因此尚不清楚是其不适合量产，还是仅仅出于资源优先考虑。
全新存储单元架构
一家名为Quina的初创企业开发了一种全新存储单元，区别于所有现有非易失存储器，方案采用浮栅结构，但电子传输路径采用创新机制。
Quinas首席执行官James Ashforth-Pook介绍：“UltraRAM属于化合物半导体浮栅存储器件，可以视作III-V族材料体系的闪存同类产品，但电荷转移机理存在本质区别。传统闪存依靠电子隧穿穿过氧化电介质；UltraRAM利用量子共振隧穿，电子穿过经过设计的III-V族异质结构。”
Quinas首席技术官Peter Hodgson表示：“上层为浮栅，下层通道结构和闪存类似。闪存依靠电介质阻挡电荷，防止浮栅电荷泄露。我们利用量子效应构建功能层：器件不加电压时阻抗极高；施加2.5伏电压，电子就能通过该结构向上或向下共振隧穿。”
Quinas的存储器采用三层AlSb势垒，将两个InAs量子阱隔开。Hodgson解释：“材料结构经过精确外延生长设计，零电压条件下两个量子阱基态能级轻微错位。不加电压时，电子无法在通道与浮栅之间迁移。”
图 1：Quinas UltraRAM存储单元。FG=浮栅；TBRT=三重势垒共振隧穿结构。图示存储单元结构。来源：Peter D. Hodgson, Dominic Lane, Peter J. Carrington, Evangelia Delli, Richard Beanland, Manus Hayne, CC BY 4.0，Wikimedia Commons
隧道层极其纤薄，一层仅包含四个单原子层，另一层为17个单原子层。该尺度下量子效应占据主导。“电子同时存在于结构内多个位置，波函数贯穿整个器件。”Hodgson表示。
由于该存储单元材料难以适配CMOS产线，企业选择在III-V化合物半导体晶圆厂制造。Hodgson称：“我们使用6.1埃晶格常数体系半导体材料，锑化镓、砷化铟、铝锑晶格常数均接近6.1埃。硅晶圆厂排斥这类材料，存在污染风险，但在光电二极管、激光器、光电子领域已广泛应用。”
存储单元需要配套控制逻辑，企业规划两条技术路线。方案一：独立硅基控制芯片，与承载存储单元的III-V芯片键合；方案二：直接在III-V晶圆上制备逻辑电路。
企业宣称产品具备超长数据保存能力；耐久测试完成1000万次循环，器件无性能衰减。
“基于保存测试数据，理论上数据保存寿命近乎无限。我们论文中没有采用该表述，避免引发争议，因此采用线性外推曲线，该估算结果偏保守，但依旧达到1000年，足以满足绝大多数存储需求。”Hodgson说道。
超长保存时长与耐久度，源于温和的编程机制，区别于热载流子注入、福勒–诺德海姆隧穿方案。Hodgson解释：“核心原因是写入过程注入能量极低，器件不易发生损伤。”
存储单元必须依托III-V晶圆厂制造，产能会受相关产线规模制约。Ashforth-Pook表示：“这并非无法突破的根本障碍，只是制造策略需要重点考量。我们初期目标市场刻意选择低产量、高附加值场景，能效、耐久度、数据持久性优先级高于单位比特成本。”
性能对标DRAM
Quinas目前正使用大型测试结构来测试器件，因此测试结果无法反映缩小到量产节点后的实际性能。“器件完成微缩后，预计在20nm工艺下将达到1ns的开关速度，这与DRAM的性能相当，实际上可能比DRAM还要快一些，”Hodgson说道。
和美光FeRAM项目一样，Quinas最初目标就是替代DRAM。读取速度具备竞争力，无需刷新操作，等效读取速度更快、功耗低于DRAM。预估单元面积6F²，成本具备竞争力，进一步缩小至4F²后优势会发生变化。
但现在该公司正调整策略，探索神经形态计算。该存储单元支持多电平存储，有望实现存内计算（IMC），目前其产量较低，这使得Quinas可以更平稳地提升出货量。
对于此类重大变革，业界态度向来保守。企业需要说服产业链方案成熟、潜在风险全部解决。存储单元开展验证的同时，团队同步研发制造流程与完整存储架构，包含配套数字控制逻辑。Quinas预计2029年实现产品上市。
存储领域格局日趋复杂
长期以来行业主流存储仅有三类：DRAM、闪存、SRAM。其他技术虽存在，但并未大规模量产，如今局面正在改变。
搭载MRAM、RRAM的MCU陆续面世，两大新技术进入大规模量产市场，但暂无独立存储芯片产品。反观PCRAM，发展前景持续黯淡。
FeRAM的发展一直受制于工艺可扩展性不足，但这种情况可能正在改变。FeRAM作为一种非易失性存储器具有很大的潜力；如果业界能够实现DRAM替代，将打开巨大市场空间。
Quinas将自有技术命名UltraRAM，初期面向专用场景，远期目标打造通用存储器。现阶段技术前景值得关注，但仍有大量研发工作待完成。最终结果要么不及预期，要么重塑行业格局，未来数年将会见分晓。（校对/孙乐）
参考链接：
https://semiengineering.com/new-nonvolatile-memory-winners-emerge/
