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[Tech Spot]四大闪存替代技术
PCM、FRAM、MRAM、RRAM

【CTIMES/SmartAuto 編輯部 报导】   2012年12月06日 星期四

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闪存仍如日中天,智能手机消费型设备,例如平板计算机和智能手机,强劲地推动了闪存及整个半导体市场。未来几年,平板计算机的市占率将不断增加,目前最常见的闪存类型是 NAND,一位市场分析师预测:2011 至 2015 年之间, NAND的市场复合年增长率将达到 7%。

三星已发表PCM产品
三星已发表PCM产品

技术方面,内存密度因采用 25nm 及以下制程技术,让制造商能进一步扩大优势。领先的 NAND 闪存制造商开始用 20-30nm 范围的技术生产 64Gb内存,并加速使用创新的内存架构和结构,以满足高密度需求。例如SanDisk 和 Toshiba 今年早些在ISSCC(国际固态电路会议)发表的一篇论文,详细介绍了采用 19nm 3 位/单元技术的 128Gb 的 NAND 闪存设备。

Flash的替换技术

尽管短中期内闪存继续缩小,但长期来看在独立和嵌入式应用中,仍然有可能替换的持续需求。竞争者包括半导体公司、研究机构和大学目前正在研究的30 多种不同的非挥发性内存技术,一些技术已有小批量出货。四种领先的技术提供了多方面胜过闪存的优势,如读/写速度快 100倍、可写次数明显更高,它们是相变内存(PCM或PRAM)、铁电随机存取内存(FRAM 或 FeRAM)、磁阻随机存取内存(MRAM)以及电阻型随机存取器(RRAM 或 ReRAM),简介如下:

1. PCM

PCM 利用硫系玻璃的特性,能够在四种不同状态之间切换:结晶、非晶和两种部分结晶状态。切换是可能的,因为电流通过玻璃时产生的热量会改变物质的状态。由于 PCM可以产生多达四种状态,所以储存容量能增倍,每个单元提供两位。不同状态的电阻系数大相径庭,例如,高电阻非晶状态可以代表一个二进制“0”,低电阻结晶状态可以代表“1”。

PCM 的主要缺点是高温灵敏性。它也会随着使用而退化,但速度比闪存慢得多,闪存有大约 5000 次写入的额定值,而 PCM 则有大约 1 亿次。 PCM 可以提供高性能,尤其是在那些写入密集的应用中,因为它的切换速度快,单个位更改无需先擦除块,且目前能够缩小到 40nm。

美光科技和三星电子目前正在争相生产首个 1Gb 的 PCM组件,三星电子目前已做出一个手机的非闪存兼容的512 Mbit 的PRAM。

2. FRAM

FRAM 的结构与 DRAM 相似。 DRAM 包括 一个电介质存取晶体管和一个基于电容器的储存节点,而 FRAM 使用锆钛酸铅 (PZT) 之类的。铁电材料形成铁电电容器,整合到存取晶体管的栅极体中。铁电材料的晶体结构可以形成半永久的电偶极子,按外电场的方向自动排序,并在电场去除后保持这种极化。这允许读/写操作都可以随机存取每个位,使用每个单元都可行的两种可能极化,二进制储存“0”和“1”。

FRAM 功耗更低,写入性能更快,且写入次数远非闪存可比。 缺点包括:较低的储存密度、储存容量的限制和较高的成本。

Fujitsu 已发布了专为替代工业、工厂和低功耗应用中的闪存和 SRAM 而设计的 FRAM 设备,而德州仪器(TI)正在逐渐开始提供基于 FRAM 的微控制器。

3. MRAM

MRAM 使用两个铁磁板形成的磁铁存储元件,每个都有磁场,由一个薄绝缘层隔开。最简单的单元结构是旋转阀配置。一块板是固定极性的永久磁铁,另一块板具有可以变化以匹配外部磁场的磁场。位的储存方法是两块相同极性的板代表“1”,两块相反极性的板代表“0”。 这些单元的网格形成内存设备。该技术不仅有望替代闪存,还可能替代DRAM 和 SRAM 内存。但是,由于外部直流磁场导致长期施加的扭矩所带来的干扰,MRAM 非常敏感。

从飞思卡尔半导体分离出来的公司 Everspin 预计在 2012 年生产数百万片MRAM,但市场现在更期待称作 SST-MRAM(旋转传输扭矩 MRAM)的第二代 MRAM 技术。这项技术使用隧道阻挡层替换了绝缘层,并使用自旋排列(极化)电子。主要优点是减少了写入所需的电流,使它的速度可与读取过程相比,并使高密度成为可能;但必须保持旋转的连贯性,且高速操作仍需要使用较高的电流。 目前,该技术有望用于小于 65nm 的设备,使用正在研究的新复合结构。

4. RRAM

电阻型 RAM基于电阻组件材料的电子切换(感应电流或电压),介于两种稳定的电阻状态(低/高)。 它通过氧化物绝缘体的突然传导完成此切换。 RRAM 通过两个操作在两种电阻状态之间切换:RESET 从低电阻状态恢复高电阻状态;SET 产生相反的转变。

RRAM 可以缩小到 300nm 以下,一项基于氧化物的 RRAM的研究甚至表明 2nm 级别也可能会发生氧运动。 研究机构 IMEC 预计,带层迭结构的 RRAM 设备能以 11nm 的规格进入市场,“SONOS”闪存作为在 17-14nm 节点的中间级。

RRAM 使用最小的能耗提供亚纳秒切换,并提供数据稳定性同时可承受高温和循环磨损。这种稳健性为包括汽车和嵌入式应用在内的市场提供了新机会。举例说,Elpida 已开发出了 RRAM 原型,目标是在 2013 年开始批量生产,使用提供千兆位容量的设备并基于 30nm 制程。

终点尚未看到...

然而,上述四种技术均未取得大批量产的突破,目前仅限于小众市场。闪存很可能会进一步缩小至少几代,因此在我们可以说“王者已逝,万岁...!”之前,还会有很长一段时间。

(本文经DesignSpark同意转载)

關鍵字: PCM  MRAM  RRAM  FRAM  三星  美光 
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