新兴存储，最新预测

40 年来，我一直在关注替代和持久性内存技术。

早在 1980 年代，我们所有的半导体内存只有 SRAM、DRAM、EPROM 和（非闪存）EEPROM。在 1980 年代后期，当我第一次从工程师转变为电子出版物的编辑时，我撰写了两家位于科罗拉多斯普林斯的公司提供的新兴、低容量、持久性内存：Ramtron 生产的铁电存储器 (FRAM)，以及 Simtek 生产的带有 SRAM 影子内存阵列的 SONOS 闪存。Ramtron 已经不复存在，但 FRAM 仍在发挥作用，赛普拉斯于 2008 年收购了 Simtek。（英飞凌于 2020 年收购了赛普拉斯。）

东芝于 1987 年开始生产闪存，该技术在 20 世纪 90 年代真正流行起来。如今，闪存 EEPROM 广泛用于板载和片上代码和数据存储，而 DRAM 已发展成为 SDRAM，它简化了与 RAM 存储相关的一些事情（例如 RAS/CAS 时序和刷新周期），但也大大简化了其他事情，例如需要在电路板上使用长度匹配的高速走线。

在过去十年左右的时间里，出现了更新的替代和持久性内存技术，包括更新的 FRAM、磁性 RAM (MRAM)、电阻式存储器 (ReRAM) 和相变存储器 (PCM)。所有这些技术都在竞相成为持久存储级内存 (SCM) 的主流——这是计算机内存领域长期以来寻求的圣杯。

1 月份，内存专家Tom Coughlin和 Jim Handy提供了关于替代内存开发的最新状态报告，并就这些替代内存在嵌入式和更传统的计算机内存应用中的使用提供了一些新颖的见解。

Coughlin 首先讨论了片上应用（特别是微控制器）中使用的内存类型。这些无处不在的设备通常使用 NOR 闪存来存储代码和不变的数据，并且它们包含一个相对较小的片上 SRAM 块来存储易失性数据。据 Coughlin 介绍，NOR 闪存单元在 28nm 时停止扩展，因为这是最后一个平面 FET 工艺节点。FinFET 电路没有 NOR 闪存单元。因此，为了让微控制器利用较小的半导体制造节点，芯片制造商将需要使用其他形式的非易失性内存来存储代码。

Coughlin 表示，这里有三种可能性。首先，半导体供应商可以在同一芯片上结合 FinFET 逻辑电路和平面 NOR 闪存。这种解决方案在经济上不可行，尤其是对于微控制器等相对低成本的部件而言，因为整个芯片将经过整个先进的半导体工艺，这比使用旧工艺节点制造芯片的成本要高得多。

第二种选择是使用外部闪存来存储代码。该解决方案也存在严重的缺点，因为它采用了成本更高的双芯片解决方案，并且会给微控制器的封装设计带来额外的负担，因为这些额外的引脚需要与外部存储器进行通信。请注意，大多数 FPGA 通常使用外部串行闪存来存储配置，但 FPGA 有数百或数千个 I/O 引脚。它们的成本比微控制器高得多，并且用于构建更大、更昂贵的系统。因此，在基于 FPGA 的系统中增加额外的配置 EEPROM 的缺点并没有那么严重。

此外，采用这种方法并使用外部串行闪存的基于微控制器的系统需要将代码从外部闪存移至片上 SRAM 以实现可接受的执行性能，这将需要额外的片上 SRAM 容量。这也推高了微控制器芯片的成本，尤其因为片上 SRAM 的扩展速度不如 FinFET 工艺中的逻辑快，如下图所示。因此，从性能角度来看，这种替代方案不仅成本更高，而且技术上也更差。

剩下的第三种选择是使用完全不同的片上存储技术。替代的非易失性存储器的候选者包括上面列出的大多数存储器技术：FRAM、MRAM 和 ReRAM，而首批具有这些类型存储器的微控制器已经开始出现。

恩智浦和台积电宣布合作，将于 2023 年为汽车市场开发基于 MRAM 的微控制器。德州仪器的 MSP430FR57xx 系列在其片上非易失性存储器中使用了多达 16 KB 的 FRAM。瑞萨去年在 ISSCC 上讨论了一款带有 10.8 Mbits 片上 MRAM 的实验性微控制器，用于非易失性存储。同样在 2024 年，新唐科技宣布推出基于 Arm 的 Cortex-M23 处理器内核的 M2L31 微控制器，该微控制器集成了多达 512 KB 的 ReRAM，用于片上非易失性存储。

这些使用替代类型的非易失性片上存储器的早期实验预示着未来的发展。随着台积电等代工厂为其 ASIC 和 ASSP 客户提供 MRAM 和 ReRAM 等工艺增材，我预计未来会出现更多此类设备。

演讲进行到这一步，Jim Handy 开始深入讨论这些新的非易失性存储器技术。Handy 仔细研究了自 1970 年代以来支持半导体发展的关键基础存储器工艺技术。NAND 闪存是非易失性存储的支柱，但在 15nm 的微缩方面遇到了瓶颈。因此，NAND 闪存芯片制造商被迫通过开发 3D 变体 NAND 闪存来垂直发展。

自 2007 年 3D NAND 芯片开始出现以来（东芝再次引领潮流），层数一直在增加。去年，SK 海力士宣布推出一款层数高达 321 层的 3D NAND 闪存芯片。然而，Handy 指出，即使采用 3D NAND 存储单元，NAND 闪存芯片在 10nm 左右也会停止微缩。与此同时，自 1990 年代 DRAM 制造商推出沟槽电容器以来，DRAM 单元基本上一直是 3D 单元，因此这些单元在工艺微缩方面同样受到限制。

这些多维度的限制迫使芯片制造商考虑替代的内存技术，这些技术确实为未来的设备扩展带来了希望。然而，将这些内存技术推向主流的早期尝试并不顺利。英特尔和美光联合开发了一项 PCM 技术，英特尔称之为 Optane，美光称之为 3D XPoint。美光于 2021 年停止了 3D XPoint 的开发，英特尔于 2022 年停止了 Optane。英特尔/美光 PCM 技术尝试失败了，因为与 NAND 闪存和 DRAM 相比，制造这些设备的成本太高。然而，Handy 表示，由于包括 PCM 在内的这些内存技术可以分层在半导体逻辑之上，因此随着芯片不断缩小，它们可能变得具有经济可行性，因为构建在逻辑电路之上的内存阵列不会增加芯片的整体尺寸，因此可以降低制造成本。

Handy 指出，所有这些替代的非易失性存储器技术都具有一些吸引人的特性。

首先，它们具有抗辐射性，这对于某些用途（例如太空和军事应用）非常有用。太空中存在大量辐射，因此在高辐射环境中不会丢失数据的存储器具有很高的价值。此外，所有这些替代的非易失性存储器技术的写入速度都比闪存快得多，并且它们都是字节可写的，这又带来了两个优点，因为当您不需要擦除和写入整个页面时，系统性能会提高；您只需更新一两个字节即可。

Handy 表示，这些技术都可以扩展到 28nm 以上，因此他预计成本结构只会有所改善。从负面来看，这些新存储器技术需要使用创新材料，“这实际上只是交易的杀手”，Handy 说。

在演讲的最后，Handy讨论了将这些新存储器引入主流使用的“非常粗略”的时间表。他对未来 20 年的预测时间表如下图所示。

MRAM 已用于助听器和 AR 眼镜等嵌入式应用。不过，Handy 认为，这些替代内存技术还需要十年左右的时间才能取代嵌入式应用中的闪存和 SRAM，因为微控制器的发展速度并不是很快。经济因素并不能推动微控制器的扩展。

Handy 预计，相对于嵌入式应用，外部 NAND 闪存芯片和 SDRAM 的成本结构将推迟独立内存芯片中替代内存技术的使用。然而，Handy 预测，当过渡开始时，它将发生得更快，因此在嵌入式应用发生相同过渡后不久，转换将完成。Handy 预计内存芯片也将发生相同的过渡，但由于整个行业采用芯片的速度相对较慢，最初的延迟会更大。同样，除了以性能为目标的系统外，经济因素还不足以迫使人们使用芯片。

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