科技简章034-新型半导体存储器一览（上）

强驴

乌弥金2021-05-23 15:20:38

在之前介绍DRAM的文章中，提到了“存储墙”的概念。

计算机的处理器从存储器中读取程序和数据，执行运算和指令。那么，存储器响应的速度就会直接影响计算机系统的运行速度。

现代的计算机为了最大化运行效率，一般采用三级存储结构，即使用高速缓存、主存储和外部存储。

高速缓存一般用的就是SRAM、主存用DRAM、外部存储用固态硬盘NAND Flash或者机械硬盘。

但是，这三种存储器的响应时间是有差异的，其中，SRAM的响应时间通常在纳秒级，DRAM的响应时间在100纳秒级，NAND Flash在100微秒级。这个时间差异就形成了“存储墙”。

从1966年DRAM诞生，1980年闪存诞生，这几十年的时间为了提高DRAM和NANDFlash的存储容量、响应速度同时降低成本，主要的技术基本就面向一个事情：提高单位面积上晶体管的数量。

无论是使用更小的工艺制程，从微米到几十纳米，再到十级纳米；还是搞层数的堆叠，从单层堆到176层，都是在增加晶体管的集成数量。这种基于一项主要技术目标不断延伸的方式也称为“线性技术提升”。芯片产业的技术特点就是搞线性提升，中国芯片发展目前与国际最高水平有差距，也是因为我们在历史上咱没搭上“线”。

另外一种搞技术的方式就不是走线性提升的路子，而是用新材料或者新方法搞“弯道超车”。当然，在半导体领域，一般新技术、新材料弯道超车以后，进一步的提升还是要继续搞“线性提升”。

今天要介绍的这几种新型存储器主要就是在材料上有了创新。

相变位存储器PCM，这是一种非易失性存储器，它的材料是硫属化合物玻璃。硫属化合物是元硫属素与其他元素形成的化合物(通常硫属元素表现负价)。

先解释一下什么是“相变”，“相”是物理化学中的一个概念，比如水就有三种“相”，水蒸气时的气相、液态水的液相以及固态水（冰）的固相。物质从一种相转变成另外一种相的过程就叫“相变”。

当然，很多物质并不止三相。比如今天介绍的相变存储器，它就是利用特殊材料在“晶态”和“非晶态”之间转化时所呈现的导电性能差异来存储数据的。为什么能存储数据，导电性能的差异能用来代表“0”和“1”啊。

第一个发现物质相变时会产生电气特性变化的是一个叫斯坦福·沃弗辛斯基的猛人，他生于1922年，被称为“太阳能光伏之父”，发明了薄膜光电、太阳能电池板、光电制造器、镍氢电池、固体氢燃料存储技术等等。之所以说他是个猛人，源于他老人家根本没上过大学，全靠自学成才。

1968年，斯坦福·沃弗辛斯基发现某些玻璃在相变的时候存在可逆的电阻系数变化，1970年他与英特尔一起发布了世界上第一个相变存储器。此后他的公司ECD又与Micron Technology前副主席一起成立了一家子公司Ovonyx。2000年英特尔、ST和Ovonyx合作继续搞研究，2005年ST与英特尔成立一家叫Numonyx的公司，发明了一种包含锗、锑、碲的合成材料Ge2Sb2Te5，简称GST用来做相变存储器。如今大多数的相变存储材料都与GST或者与它近似的材料。

相变存储器具有工艺尺寸小、存储密度高、读写速度快、功耗低、可拓展性强等优点。与NANDFlash不同，相变存储器能够实现字节寻址、随机读写，换句话说它能当内存用。

2015年，英特尔和美光推出3D Xpoint存储器，就是一种相变存储器，它的存储容量接近NANDFlash，速度与DRAM相近，成本介于NANDFlash和DRAM之间。

英特尔和美光后来都基于3D Xpoint各自推出了自己的产品，英特尔傲腾系列的固态硬盘和内存都是基于这种技术。美光2019年推出的X100 SSD，每秒读写次数最高达到250万次，连续传输性能约为10GB/s，这两项性能创造了当时的单块固态硬盘新记录。

但是呢，相变存储器也有它的缺点，这种存储器在制造的时候每一层都必须采用关键的光刻和蚀刻步骤，这就导致它的层数和成本是等比例增加的。而3D NANDFlash堆叠层数与成本却不是等比例增加的。因此，相变存储器的成本是个大问题，不具备规模效应。

也是因此，英特尔和美光今年都逐渐放弃了这个技术，英特尔的新一代傲腾系列产品采用相变存储和NANDFlash混合的模式，3D Xpoint技术将不再成为主导。

美光今年三月宣布将会停止3D Xpoint技术的进一步研发，并将于2021年底出手其3D Xpoint芯片工厂。这大概就是所谓的技术的发展被市场所选择吧。

铁电存储器FERAM，这是一种与DRAM类似的随机存储器，只不过DRAM是易失性存储器，也就是掉电后数据会丢失，而FERAM是非易失性存储器，它采用了铁电层而非介电层来实现其非易失性。

铁电存储技术早在1921年提出，但直到1993年美国Ramtron公司才成功做出来第一个铁电存储器。

看过前面文章的读者都知道无论是EEPROM还是闪存，它们实现数据存储的核心都是其单元结构中能够存储电荷的“浮栅”。而铁电存储器并不是利用“浮栅”原理，它利用的是“铁电效应”。

所谓铁电效应，就是在铁电晶体上施加一定的电场时，晶体中心原子在电场的作用下运动，并达到一种稳定状态；当电场从晶体移走后，中心原子会保持在原来的位置。

铁电存储器采用人工合成的铅锆钛材料形成铁电晶体。（2006年富士通推出了一种新的铁电晶体材料BiFeO3简称BFO，采用铋、铁、氧元素的合成，能使数据存储容量达到铅锆钛材料的五倍。）

对铁晶体管加上电场后，中心原子会顺着电场移动，并停止低能量状态位置。当所加的电场反转后，中心原子还会顺着电场方向一定，并停在另一个低能状态位置。

大量的中心原子的移动会形成铁电畴，铁电畴在电场作用下会形成极化电荷。无反转电场下形成的极化电荷较低，可以用来代表0；反转电场下形成高极化电荷，用来代表1，以此就可以用来存储数据啦。

当移去电场后，中心原子会保持不动的状态，存储器的状态也得以保持，这样即使掉电数据也不会丢失，所以铁电存储是非易失性存储器。注意，铁电存储器保存数据不是通过电容上的电荷，而是由中心原子位置进行记录的哈。

由于其不像Flash那样需要通过高电压来进行数据擦除，所以铁电存储器没有擦写延迟，写入速度快而且功耗极低。另外，它具有高温耐久性，在85度的环境下数据仍然可以保留超过10年。

此外，由于高功率写入和长期的擦写操作会破坏浮栅，所以EEPROM和闪存的擦写次数是有限制的，闪存一般是十万次，EEPROM约百万次，富士通搞出来的铁电存储器可以擦写1000亿次。不过由于铁电晶体特性的限制，铁电存储器有最大的“读”次数限制。铁电存储器的最大访问次数是1百万次，是闪存的10倍，超过这个次数也不是就报废了，只会失去非易失性存储的能力，不过还是能当成普通RAM来用。

我们来看一下“读”的操作是怎么进行的。前面说过，铁电存储器保存数据不是通过电容上的电荷，而是由中心原子位置进行记录的，那么读自然是读中心原子的位置。不过，直接对中心原子位置的检测是不能实现的，所以必须用别的方式来“曲线实现”。

早期的铁电存储器的基本存储单元是两个场效应管和两个电容，称为“双管双容”。2001年推出了更先进的单管单容，即一个存储单元中有一个场效应管和一个电容。

不过铁电存储器的电容不是普通的电容，它的两个电极板中沉淀了一层晶态铁电晶体薄膜。

读数据的时候，在存储单元的电容上施加一个已知电场，就是对电容进行充电。如果这个电场与中心原子达到的位置相同，中心原子就不会移动。反之，中心原子就会移动到另外的位置，这个时候充电波形就会出现一个尖峰，把这个波形同已知的充电波形进行比较，就能判断存储单元中的内容是“0”还是“1”。

从这里也可以看出，铁电存储器在读数据的时候是具有破坏性的，有的原子发生位移了嘛。所以，读取完信息之后必须进行中心原子位置的恢复，不然数据就变了。

铁电存储器也有缺点，这种芯片的存储密度不高，也就是说在同样的芯片面积上存储的数据量不够大。因此，虽然它能当内存来用但干不动DRAM和SRAM，在NANDFlash的主场大容量场景也干不过NANDFlash。

但由于它兼具超低功耗、读写速度快、非易失存储器的特性，在对功耗要求苛刻的便携式设备、RFID、智能卡等无线产品领域以及工作环境比较恶劣的汽车电子中能够发光发热。在这些应用领域中，原本使用SRAM和EEPROM器件的方案可以用一个铁电存储进行替代，即降低成本又减少功耗。

所以对于EEPROM来说，铁电存储器的威胁比较大。相比EEPROM，铁电存储的功耗是它的百分之一，写入数据的时间仅需要1/3000。

目前主要搞铁电存储器的公司是富士通和Ramtron，其中Ramtron已经被赛普拉斯收购。