全面介紹新型存儲技術：PCM/MRAM/RRAM/ReRAM

隨著5G、人工智能（AI）、智能汽車等新興應用的快速更迭，市場對數據存儲在速度、功耗、容量、可靠性等層面提出了更高要求，存儲器技術也在不斷地面臨著新的挑戰。

在當前主流的存儲器技術中，DRAM雖然速度快，但功耗大、容量低、成本高，且斷電無法保存數據，使用場景受限；NAND Flash讀寫速度低，存儲密度明顯受限于工藝制程。

為了突破DRAM、NAND Flash等傳統存儲器的局限，存儲器技術壁壘不斷被突破，新型存儲技術開始進入大眾視野。

新型存儲有哪些？

目前，新興的存儲技術旨在集成SRAM的開關速度和DRAM的高密度特性，并具有Flash的非易失特性。新型存儲技術可主要分為相變存儲器?(PCM，Phase Change Memory)、磁變存儲器（MRAM）、阻變存儲器（RRAM/ReRAM）以及鐵電存儲器（FRAM/FeRAM）。

相變存儲器通過相變材料相態的變化獲得不同的電阻值，主要適用于大容量的獨立式存儲應用。磁變存儲器通過磁性材料中磁籌的方向變化改變電阻，主要適用于小容量高速低功耗的嵌入式應用。

而阻變存儲器則利用阻變材料中導電通道的產生或關閉實現電阻變化，目前主要用于物理不可克隆芯片（Physical Unclonable Function，PUF），并有可能在未來的人工智能、存算一體等領域發揮作用。此外，近年來，存算一體正逐漸成為解決當前存儲挑戰的熱門趨勢之一。

上述新型存儲技術都具備一些共性，比如具有非易失性或持久性的特點，而所有的主流非易失性存儲器均源自于只讀存儲器（ROM）技術；部分技術可通過工藝縮小尺寸，從而降低成本；無需使用閃存所需的塊擦除/頁寫入方法，從而大大降低了寫入耗電需求，同時提高了寫入速度。下表為新型存儲技術關鍵指標對比：

圖表來源：全球半導體觀察制表

各路技術？

相變存儲器（PCM）

PCM是通過熱能的轉變，使相變材料（什么叫相變？，比如水在0°時從液態變為固態，稱為相變）在低電阻結晶（導電） 狀態與高電阻非結晶（非導電）狀態間轉換，即通過相變材料相態的變化獲得不同的電阻值，也正因此有人認為它可以被歸類于阻變存儲器（RRAM）內。

PCM擁有壽命長、功耗低、密度高、抗輻照特性好的技術特點，同時在寫入更新代碼之前，PCM不需要擦除以前的代碼或數據，所以其讀寫速度比NAND Flash有所提高，讀寫時間較為均衡。PCM被認為是與CMOS工藝最兼容，技術最成熟的存儲技術。

對于PCM來說，溫度、成本、良率等都是其技術突破瓶頸的關鍵條件。另外，PCM采用的多層結構可使相變材料兼容CMOS工藝，但這也導致存儲密度過低，因而PCM在容量上沒法做到替代NAND Flash。PCM技術主要以英特爾與美光聯合研發的3D Xpoint為代表。

2006年，英特爾與三星合作生產第一款商用 PCM 芯片。2015年，英特爾聯合美光共同開發出一種革命性的存儲芯片——3D Xpoint，前者為該技術冠名為傲騰（Optane），后者則稱為QuantX。3D Xpoint技術是一種非易失性存儲技術，與NAND閃存通過晶體管充放電存儲數據的工作原理不同，3D Xpoint則是通過PCM相變材料來存儲數據。

英特爾與美光表示，3D Xpoint雖然速度遜于DRAM，但其具備1000倍閃存的性能、1000倍的可靠性以及10倍的容量密度。

不過，令人遺憾的是，隨著英特爾傲騰業務的關閉，3D XPoint技術也將被淹沒在歷史的長河。據外媒《Tomshardware）去年11月報道，英特爾已悄悄推出傲騰（Optane）SSD DC P5810X固態硬盤，這可能是英特爾最后一個基于3D XPoint閃存的存儲設備。

不過，業界仍在研發PCM技術，在去年年初，華中科技大學集成電路學院信息存儲材料及器件研究所（ISMD）聯合西安交通大學材料創新設計中心（CAID）研發了一種網狀非晶結構的相變存儲器，功耗達到了0.05pJ以下，比主流產品功耗低了一千倍。

磁變存儲器（MRAM）

MRAM是一種基于隧穿磁阻效應的技術，MRAM的產品主要適用于容量要求低的特殊應用領域以及新興的IoT嵌入式存儲領域，該技術擁有讀寫次數無限、寫入速度快（寫入時間可低至2.3n）、功耗低、和邏輯芯片整合度高的特點。

目前主流的MRAM技術主要以美國Everspin公司推出的STT-MRAM（垂直混合自旋扭矩轉換磁性隨機存儲器）為代表。Everspin是一家設計、制造和商業銷售離散和嵌入式磁阻RAM（MRAM）和自旋傳遞扭矩MRAM（STT-MRAM）的企業。

2019年，Everspin與晶圓代工廠格芯合作，試生產28nm 1Gb STT-MRAM產品；2020年3月，雙方宣布已將聯合開發的自旋轉矩（STT-MRAM）器件的制造，擴展至12 nm FinFET平臺，通過縮小制程有助于雙方進一步拉低1 Gb芯片成本。Everspin在數據中心、云存儲、能源、工業、汽車和運輸市場中部署了超過1.2億個MRAM和STT-MRAM產品。

STT MRAM使用隧道層的“巨磁阻效應”來讀取位單元，當該層兩側的磁性方向一致時為低電阻，當磁性方向相反時，電阻會變得很高。與其他新興存儲技術相比，STT-MRAM耐用性較為出色，并且存儲速度極快，還被認為是最高級的緩存存儲器。

MRAM還有另一種技術是SOT-MRAM（自旋軌道扭矩磁性隨機存儲器），采用三端式 MTJ 結構，將讀取和寫入路徑分開，通過分離讀寫路徑，提供更高的耐用性。

憑借存儲速度和耐用性的特點，這兩種存儲器有望成為高性能計算系統（如數據中心）分級存儲體系中的上佳選擇。不過，如果要將STT-MRAM或SOT-MRAM用作高密度存儲器，還需在存儲器成本和密度方面有進一步提升。

阻變存儲器（RRAM/ReRAM）

ReRAM是以非導性材料的電阻在外加電場作用下，在高阻態和低阻態之間實現可逆轉換為基礎的非易失性存儲器，該技術具備一般小于100ns的高速度、耐久性強、多位存儲能力的特點。

ReRAM被分為許多不同的技術類別，包括氧空缺存儲器 (OxRAM，Oxygen Vacancy Memories)、導電橋存儲器 (CBRAM，Conductive Bridge Memories)、金屬離子存儲器 (MeRAM，Metal Ion Memories)、憶阻器 (Memristors)、以及納米碳管 (CaRAM，Carbon Nano-tubes)，代表公司有美國Crossbar、松下和昕原半導體。

ReRAM由于存儲介質中的導電通道具有隨機性，在二進制存儲中難以保證大規模陣列的均一性。所以，業界普遍認為，ReRAM能夠充分滿足神經形態計算和邊緣計算等應用對能耗、性能和存儲密度的要求，預期將在AIoT、智能汽車、數據中心、AI計算等領域獲得廣泛的運用，被認為是實現存算一體的最佳選擇之一。

在新興的存儲技術中，ReRAM技術更適合在存儲單元中采用多級存儲，有利于降低存儲器計算的能耗、提高成本效益，近年來臺積電，Crossbar、英特爾、富士通、三星、UMC、Adesto等國際廠商已對該技術進行重點布局。

去年12月，英飛凌宣布下一代Aurix微控制器將使用嵌入式非易失性存儲器，特別是電阻式隨機存取存儲器（RRAM），而不是嵌入式閃存（eFlash），并將在臺積電的28納米節點上制造。英飛凌基于臺積電28納米eFlash技術的Autrix TC4x系列微控制器樣品已經交付給主要客戶，而基于臺積電28納米RRAM技術的第一批樣品將于2023年底提供給客戶。

值得一提的是，國內新型存儲企業昕原半導體在去年6月宣布，其基于ReRAM的“昕·山文”安全存儲系列產品已實現在工業自動化控制核心部件的商用。這標志著ReRAM新型存儲技術在28nm工藝節點上通過了嚴苛的測試，已被工控領域接受，我國ReRAM新型存儲產業化再進一步。另外，兆易創新和Rambus聯手建立合資企業合肥?？莆?，進行RRAM技術的商業化，目前尚無量產消息。

鐵電存儲器（FRAM/FeRAM）

FRAM技術是利用鐵電晶體材料電壓與電流關系具有滯后回路的特點來實現信息存儲，鐵電材料可同時用于電容器和CMOS集成電路柵氧化層的數據存儲。

FRAM技術具有讀寫速度快、壽命長、功耗低、可靠性高的特點，憑借諸多特性，正在成為存儲器未來發展方向之一。而FRAM產品已在半導體市場上得到了商業驗證，FRAM存儲器產品已成功應用在汽車中，FRAM代表公司包括Ramtron和Symetrix、英飛凌、日本富士通半導體。

此前人們在被廣泛用于CMOS柵氧化層的氧化鉿（HfO2）中發現了鐵電性，引起了業界的關注。由于具備速度快、數據不易丟失，易于集成到CMOS等優點，鐵電材料正作為一種新型存儲器的候選材料得到廣泛研究。

結 語

幾十年來，研究人員日夜埋頭研究，希望能夠研發出可以取代傳統存儲器的新型存儲技術。雖然當前的新型存儲市場主要集中于低延遲存儲與持久內存，還不具備替代DRAM/NAND閃存的能力，但在數據爆發式增長的時代下，新型存儲憑借所具備的超強性能、超長壽命、可靠性及耐高溫等優秀的特性，將有望成為存儲器領域的新選擇。

編輯：黃飛

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