一文读懂｜三大新兴存储技术：MRAM、RRAM和PCRAM

物联网(IoT)、人工智慧(AI)、5G、工业4.0等应用推升资讯量呈现爆炸性的成长，所有资料都必须在边缘搜集，并且从边缘到云端的多个层级进行处理和传输、储存和分析。

在如此庞大的资料储存、传输需求下，在DRAM、SRAM以及NAND Flash等传统记忆体已逐渐无法负荷，且再加上传统记忆体的制程微缩愈加困难的情况之下，驱使半导体产业转向发展更高储存效能、更低成本同时又可以朝制程微缩迈进的新兴记忆体。

其中有3种存储器表现突出 —— MRAM、RRAM和PCRAM。

存储器，作为半导体元器件中重要的组成部分，在半导体产品中比重所占高达20%，是一个重要的半导体产品类型。目前存储器行业的主要矛盾是日益增长的终端产品性能需求和尚未出现重大突破的技术之间的矛盾，具体一点来说，是内存和外存之间巨大的性能差异造成了电子产品性能提升的主要瓶颈。

同时，我们不希望让摩尔定律增速放缓限制人工智能时代的计算增长，我们是否为半导体设计和制造提供了一个新的剧本。这一战略思想支撑着今天针对物联网和云计算推出的新一代高容量记忆体制造系统。

MRAM（Magnetic RAM）

MRAM（磁性随机存储器）它靠磁场极化而非电荷来存储数据，存储单元由自由磁层、隧道栅层、固定磁层组成。自由磁层的磁场极化方向可以改变，固定层的磁场方向不变，当自由层与固定层的磁场方向平行时，存储单元呈现低电阻；反之呈高电阻，通过检测存储单元电阻的高低，即可判断所存数据是0还是1。

MRAM当中包括很多方向的研究，如微波驱动、热驱动等等，传统的MRAM和STT-MRAM是其中最重要的两大类，它们都是基于磁性隧道结结构，只是驱动自由层翻转的方式不同，前者采用磁场驱动，后者采用自旋极化电流驱动。

对于传统的MRAM，由于在半导体器件中本身无法引入磁场，需要引入大电流来产生磁场，因而需要在结构中增加旁路。因此，这种结构功耗较大，而且也很难进行高密度集成（通常只有20-30F2）。若采用极化电流驱动，即STT-MRAM，则不需要增加旁路，因此功耗可以降低，集成度也可以大幅提高。

MRAM的研发难度很大，其中涉及非常多的物理。磁性隧道结看似简单实则相当复杂。在这个结构中，很多材料都是在几个纳米，特别是对于MgO隧道层，要求只有1.3nm，并且是要完美的单晶。

MRAM特点

· 非易失：铁磁体的磁性不会由于断电而消失，故MRAM具备非易失性。

· 读写次数无限：铁磁体的磁性不仅断电不会消失，而是几乎可以认为永不消失，故MRAM和DRAM一样可以无限次重写。

· 写入速度快、功耗低：MRAM的写入时间可低至2.3ns，并且功耗极低，可实现瞬间开关机并能延长便携机的电池使用时间。

· 和逻辑芯片整合度高：MRAM的单元可以方便地嵌入到逻辑电路芯片中，只需在后端的金属化过程增加一两步需要光刻掩模版的工艺即可。再加上MRAM单元可以完全制作在芯片的金属层中，甚至可以实现2~3层单元叠放，故具备在逻辑电路上构造大规模内存阵列的潜力。

但是MRAM最大的缺点是存储单元之间存在干扰，当对目标位进行编程时，非目标位中的自由层很容易被误编程，尤其是在高密度情况下，相邻单元间的磁场的交叠会愈加严重。

PCRAM（Phase Change RAM）

另一类新型存储器是PCRAM（相变随机存储器），它也是一种三明治的结构，中间是相变层（和光盘材料一样，GST），这种材料的一个特性是会在晶化（低阻态）和非晶化（高阻态）之间转变，利用材料晶态和非晶态之间转化后导电性的差异来存储信息，过程主要可以分为SET和RESET两步。

注：相变材料在晶态和非晶态的时候电阻率差距相差几个数量级，使得其具有较高的噪声容限，足以区分“ 0”态和“ 1”态。目前各机构用的比较多的相变材料是硫属化物（英特尔为代表）和含锗、锑、碲的合成材料（GST），如Ge2Sb2Te5（意法半导体为代表）。

· 当材料处于非晶态时，升高温度至高于再结晶温度但低于熔点温度，然后缓慢冷却（这一过程是制约PCM速度的关键因素），材料会转变为晶态（这一步骤被称为SET），此时材料具有长距离的原子能级和较高的自由电子密度，故电阻率较低。

· 当材料处于晶态时，升高温度至略高于熔点温度，然后进行淬火迅速冷却，材料就会转变为非晶态（这一步骤被称为RESET），此时材料具有短距离的原子能级和较低的自由电子密度，故电阻率很高。

PCRAM特点

· 低延时、读写时间均衡：与NANDflash相比，PCM在写入更新代码之前不需要擦除以前的代码或数据，故其速度比NAND有优势，读写时间较为均衡。

· 寿命长：PCM读写是非破坏性的，故其耐写能力远超过闪存，用PCM来取代传统机械硬盘的可靠性更高。

· 功耗低：PCM 没有机械转动装置，保存代码或数据也不需要刷新电流，故PCM的功耗比HDD，NAND，DRAM都低。

· 密度高：部分PCM采用非晶体管设计，可实现高密度存储。

· 抗辐照特性好：PCM存储技术与材料带电粒子状态无关，故其具有很强的抗空间辐射能力，能满足国防和航天的需求。

但是目前PCM存在的问题有：在当一个器件单元中的相变材料处在高温熔化状态时，热扩散可能会使相邻的器件单元也发生相变，从而导致存储信息的错误；目前二极管作为选通管是高密度PCM的一个主要选择，但其制备工艺会导致同一字线上相邻二极管之间会形成寄生三极管，而寄生三极管的串扰电流又会影响数据稳定性；材料发生非晶态和晶态之间的转变时，其体积会发生变化，进而可能导致相变材料和与其接触的电极材料发生剥离，器件失效。

PRAM目前发展到了另外一个领域：Intel和美光2015年联合推出了3D Xpoint技术。3D Xpoint技术的存储单元的确是PRAM，但它找到了一种合适的选择管，即1R1D的结构而不是1R1T结构，这和三星的方向完全不同。

3D Xpoint技术在非易失存储器领域实现了革命性突破，虽然其速度略微比DRAM慢，但其容量却比DRAM高，比闪存快1000倍。但也有明显缺点：3D Xpoint采用堆迭结构，目前一般是两层结构。堆迭层数越多，需要的掩模板个数就越多，而在整个IC制造工业中，掩模板占到了成本的最大份额。因此，从制造的角度来说，要想实现几十层的3D堆迭结构非常困难。

RRAM（Resistive RAM）

RRAM相比MRAM和PRAM，研究要稍晚。虽然这个现象早在1962年就被报道了，但没有引起学术界和工业界的关注。直到2000年，美国休斯敦大学在APL上发表了一篇关于“在庞磁阻氧化物薄膜器件中发现电脉冲触发可逆电阻转变效应”的文章后，夏普公司买了该专利，才对RRAM开始了业界的开发，自此以后才引起学术界和业界的研究。主流存储器厂商也纷纷投入力量，开始对RRAM的研究。RRAM也已经由实验室阶段进入到企业的研发阶段。

典型的RRAM（阻变式存储器）由两个金属电极夹一个薄介电层组成，介电层作为离子传输和存储介质。RRAM看上去和PRAM相类似，只是中间的转变层的原理不同。相变是材料在晶态和非晶态之间转变，而阻变是通过在材料中形成和断开细丝（filament，即导电通路）来探测结构的高低阻态。

选用材料的不同会对实际作用机制带来较大差别，但本质都是经由外部刺激（如电压）引起存储介质离子运动和局部结构变化，进而造成电阻变化，并利用这种电阻差异来存储数据。目前最被接受的RRAM机理是导电细丝理论，基于细丝导电的器件将不依赖于器件的面积，故其微缩潜力很大。RRAM所选用的材料多为金属氧化物，此外硫化物及有机介质材料也受到了一定的关注。

RRAM特点

· 高速度：RRAM擦写速度由触发电阻转变的脉冲宽度决定，一般小于100ns。

· 耐久性：RRAM读写和NAND不同，采用的是可逆无损害模式，从而可以大大提高其使用寿命。

· 具备多位存储能力：部分RRAM材料还具备多种电阻状态，使得当个存储单元存储多位数据成为可能，从而提高存储密度。

RRAM的存储器矩阵可以分为无源矩阵和有源矩阵两种，无源矩阵的存储单元由一个阻变元件以及一个非线性元件（一般使用二极管）相连，后者的作用是使阻变元件得到合适的分压，从而避免阻变元件处于低阻态时，存储单元读写信息丢失。这种方法的优点是设计比较简单，工艺微缩性好，但采用无源矩阵会使相邻单元间不可避免地存在干扰。有源单元则由晶体管来控制阻变元件的读写与擦除，虽可良好隔离相邻单元的干扰，但其设计更复杂，且器件可微缩性较差。

从容量上看，这三类新型存储器，MRAM最高达4Gb，PRAM最高达8Gb，RRAM最高达32Gb。它们和闪存相比，容量差别还很大，但是不要忘记，这三者的读写速度都比闪存要快1000倍以上。

结语

新兴内存技术已经出现几十年，如今发展到一个在更多应用中表现更重要的关键期，预计在2029年，这些新兴内存市场可望创造200亿美元的合并收入。另一方面，由于未来的制程微缩和规模经济提升将促使价格降低，并开始将新兴内存作为独立芯片以及嵌入于ASIC、微控制器(MCU)以及甚至运算处理器中，从而使其变得比现有的内存技术更具竞争力。

新兴的内存涵盖广泛的技术，值得观察的重点在于MRAM、PCRAM和RRAM。然而现在说谁将胜出还为时过早，尽管新兴内存技术的未来前景光明，但他们仍然很难打入一些根深蒂固的技术市场。即使经济效益有所提升，新兴内存也很难颠覆现有市场的主导地位。如果无法在成本方面胜出，那么无论谁比这些根深蒂固的技术拥有再多的技术优势，也并不代表什么。

总而言之，AI、5G、IoT和工业4.0等发展让资讯量呈现爆炸式的成长，全新的运算需求驱动记忆体朝更高容量、高读写次数、更快读写速度、更低功耗发展；而新兴记忆体除满足上述需求外，和传统记忆体相比，还可实现制程微缩化，半导体产业遂积极投入新兴记忆体发展，期能在未来取代DRAM、Flash和SRAM三大主流记忆体产品。