新一代存儲技術特點、比較和研發進展介紹

　　近十年來，在高速成長的非易失性存儲器（NVM）市場的推動下，業界一直在試圖利用新材料和新概念發明一種更好的存儲器技術，以替代閃存技術，更有效地縮小存儲器，提高存儲性能。目前具有突破性的存儲技術有鐵電RAM（FRAM）、磁性RAM（MRAM）、相變RAM（PRAM）或其他相變技術。本文將分別介紹這些技術的特點、比較和研發進展。

　　新一代存儲技術顯現

　　“多、快、省”特點

　　MRAM是一種非易失性磁性隨機存儲器。它擁有靜態隨機存儲器（SRAM）的高速讀取寫入能力及動態隨機存儲器（DRAM）的高集成度，基本上可以無限次重復寫入。其設計原理非常誘人，它通過控制鐵磁體中的電子旋轉方向來達到改變讀取電流大小的目的，從而使其具備二進制數據存儲能力。MRAM的主要缺點是固有的寫操作過高和技術節點縮小受限。為了克服這兩大制約因素，業界提出了自旋轉移矩RAM（SPRAM）解決方案，這項創新技術是利用自旋轉換矩引起的電流感應式開關效應。盡管這一創新方法在一定程度上解決了MRAM的一些常見問題，但還有很多挑戰等待研究人員克服，如自讀擾動、寫次數、單元集成等。目前，MRAM只局限于4Mb陣列180nm工藝的產品。另外，MRAM的生產成本也是個不小的問題。MRAM研發可分為三大陣營，除了東芝、海力士之外，三星電子也在進行研發。

　　PRAM是最好的閃存替代技術之一，能夠涵蓋不同非易失性存儲器應用領域，滿足高性能和高密度兩種應用要求。它利用溫度變化引起硫系合金（Ge2Sb2Te5）相態逆變的特性，利用電流引起的焦耳熱效應對單元進行寫操作，通過檢測非晶相態和多晶相態之間的電阻變化讀取存儲單元。從應用角度看，PRAM可用于所有存儲器，特別適用于消費電子、計算機、通信三合一電子設備的存儲器系統。常用相變材料晶態電阻率和結晶溫度低、熱穩定性差，需要通過摻雜來改善性能。目前，人們也在尋找性能更加優良的相變材料，以最大限度地發揮PRAM的優越性。

　　FRAM是一種隨機存取存儲器技術，已成為存儲器家族中最有發展潛力的新成員之一。它使用一層有鐵電性的材料取代原有的介電質，使得它也擁有像EEPROM一樣的非易失性內存的優勢，在沒有電源的情況下可以保存數據，用于數據存儲。FRAM具有高速、高密度、低功耗和抗輻射等優點。作為非易失性存儲器，FRAM具有接近SRAM和DRAM等傳統易失性存儲器級別的高速寫入速度，讀寫周期只有傳統非易失性存儲器的數萬分之一，但讀寫耐久性卻是后者的1000萬倍，達到了10萬億次，可實現高頻繁的數據紀錄。目前，廠商正在解決由陣列尺寸限制帶來的FRAM成品率問題，進一步提高存儲密度和可靠性。今天，FRAM技術研發的主攻方向是130nm工藝的64Mb存儲器。目前，富士通半導體集團控制著FRAM的整個生產程序，在日本有芯片開發和量產及組裝設施。

　　逐漸在物聯

　　醫療領域應用

　　相對傳統存儲技術，新一代存儲具備自身的優勢與特點。以FRAM為例，以“多、快、省”的特點在業界獨樹一幟，有助于解決應用瓶頸，促進產品創新?！岸唷笔侵窮RAM的高讀寫耐久性（10萬億次）的特點，可以頻繁記錄操作歷史和系統狀態；“快”是指高速燒寫特性，可以幫助系統設計者解決突然斷電丟失數據問題；“省”是指FRAM超低功耗的特性，特別是寫入時無需升壓。

　　將照相機實拍的一張照片分別存儲到EEPROM和FRAM中，直觀比較圖像數據寫入過程中EEPROM和FRAM的性能差異?？梢园l現使用并口傳輸數據，FRAM存儲數據用了約0.19秒，而EEPROM用了約6.23秒；FRAM存儲數據的比特率約為808kB/s，而EEPROM存儲數據的比特率約為24kB/s；功耗方面，FRAM約為0.4mW，而EEPROM約為61.7mW。FRAM的快速讀寫和超低功耗特性顯而易見。

　　過去幾年，富士通FRAM在中國的電力儀表（三相表和集中器）、工業控制、辦公設備、汽車音響導航儀器、游戲機、RFID、醫療器械及醫療電子標簽等行業取得了可喜成績。其FRAM主要包括三大類（單體FRAM、RFID和內嵌FRAM的認證芯片），在很多產業領域實現了批量應用，并促成了大量的創新應用案例。

　　不同存儲器都有其各自的優勢和缺點，而存儲器市場需要更高密度、更高速度、更低功耗、具有非易失性且價格便宜的存儲器產品，所以由消費類產品驅動的存儲器市場在呼喚性能更優存儲器技術。