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　　新世代存储器正进入一个新的阶段ღ◈，就像前几年的相变存储器（PCM)ღ◈。就在分析师 Thomas Coughlin 与 Jim Handy 汇整年度报告时ღ◈，英特尔（Intel）宣布以 PCM 3D XPoint 技术的 Optane 即将落幕ღ◈，这表示「新世代存储器进入下一阶段」进行最后的调整ღ◈。

　　新世代存储器的下一阶段主要的芯片代工厂——三星（Samsung)ღ◈、台积电（TSMC）与 GlobalFoundries——生产电阻式随机存取存储器（ReRAM）或磁阻式随机存取存储器（MRAM)ღ◈。

　　Handy 说ღ◈：「这就是我们所期待大多商业模式的来源ღ◈，」他另外提到ღ◈，嵌入式新世代存储器的成长将源于ReRAM与 MRAM 放置在微控制器（MCU)ღ◈、ASIC 甚至现场可编程逻辑闸阵列（FPGA）等元件中ღ◈。「而且它主要作为 NOR 快闪存储器的可替代式元件ღ◈。」

　　NOR 快闪存储器已达到了极限ღ◈，因为它无法相容在 28nm 以下的制程技术ღ◈，这让用新兴的存储器作为替代成为低风险的方式ღ◈，低功耗应用也很适用于新世代存储器ღ◈。

　　铁电随机存取存储器（FRAM）是新世代存储器很好的例子ღ◈，它填补了低密度的利基需求——其辐射耐受性是英飞凌科技（Infineon Technologies）将其应用于太空的原因ღ◈。在今年年初时ღ◈，英飞凌宣布其 2MB 的序列周边介面FRAMღ◈，该公司声称这是太空产业中的第一个辐射硬化（rad-hard)FRAMღ◈。除了辐射耐受性ღ◈，FRAM 在运作过程中的低能耗使其成为太空的首选ღ◈，因为电力宝贵ღ◈，而且与非挥发性 E2PROM 与串列 NOR 快闪装置相比ღ◈，还具有更出色的写入能力ღ◈。

　　最近ღ◈，英飞凌推出了 8Mb 与 16Mb 的 Excelon F-RAM 存储器ღ◈，旨在满足下一代汽车与工业系统的非挥发性资料记录需求ღ◈。这些系统与外太空一样ღ◈，工作环境恶劣ღ◈，需要额外的保护来协助防止资料遗失ღ◈。英飞凌汽车部门 RAM 产线负责人 Ramesh Chettuvetty 在接受《EE Times》采访时表示ღ◈，这些最新的 FRAM 提供业内最高的密度ღ◈，能符合自动化ღ◈，并提高与感测器连接ღ◈，快速成长所带来的资料记录的要求需求ღ◈。

　　英飞凌在 FRAM 方面的投资可以回溯到很久之前ღ◈，部分原因是收购了 Cypress Technologiesღ◈。Chettuvetty 提到ღ◈，除了低电力与耐辐射之外ღ◈，新世代存储器的吸引力在于其资料传输时的可靠性ღ◈，使其成为汽车等业界执行重要任务资料记录的首选ღ◈，因为在上述业界中ღ◈，对资料记录的要求非常严格ღ◈。FRAM 是目前 NOR 快闪存储器的理想替代品ღ◈，NOR 快闪存储器损耗很快ღ◈，不过在对资料记录的要求并非重要任务的地方ღ◈，快闪存储器仍然是首选ღ◈，因为价格便宜ღ◈。

　　无论可靠性要求如何ღ◈，低密度 FRAM 仍有市场的需求ღ◈，即使记录产生的资料量增加ღ◈。如果空间是最后的战场ღ◈，那么高密度就是 FRAM 的下一个战场ღ◈。

　　Chettuvetty 说ღ◈：「现有技术在密度上存在一定的限制ღ◈。」他无法详细说明ღ◈，但英飞凌正在探讨如何透过研究不同的材料将 FRAM 的密度提高到 16Mb 以上ღ◈。

　　FRAM 因其非挥发性和低功耗而存在了将近 40 年ღ◈，这得益于ღ◈，与其他存储器相比ღ◈，FRAM 具备较低的开关能源ღ◈。正如 Coughlin/Handy 报告所提出ღ◈，这种新兴的存储器似乎比所有其他新兴的存储器类型总和的销售量还多ღ◈。FRAM 的应用包含富士通（Fujitsu）生产地铁卡的 RFID 芯片ღ◈，每笔交易都是由无线电讯号所产生的电能来驱动ღ◈。

　　FRAM 面临的挑战是ღ◈，由于铅（lead）与铋（bismuth）的材料问题ღ◈，很难与标准 CMOS 制程结合ღ◈，因此它在较小的制程中不能量产——能够与现有的 CMOS 制程结合并采用 3D 技术是量产的重要因素ღ◈。今天ღ◈，三种类型的 FRAM 单元的开发工作仍在继续ღ◈：基于电容式 FRAMღ◈、铁电场效晶体管（FeFET）与氧化铪锆铁电穿隧接面（ferroelectric tunnel junction)ღ◈。报告指出ღ◈，在过去十年中ღ◈，新的无铅与无铋材料对 FRAM 燃起新的希望ღ◈，其中包括氧化铪（hafnium oxide)凯发k8ღ◈。

　　德国 Dresden 铁电存储器（FMC）在 NAMLABS 于 2011 年发表氧化铪研究基础上可以做差差的游戏破解版ღ◈，克服 FRAM 的限制ღ◈。氧化铪可作为所有高介电常数金属闸极（HKMG）制程节点的闸极绝缘体ღ◈，从而采用标准式 HKMG 晶体管ღ◈，并将其闸极绝缘体修改为铁电可以做差差的游戏破解版ღ◈，以创造一个非挥发性的 HKMG 晶体管——FeFETღ◈。

　　FRAM 和ReRAM都有相似的成功和挑战ღ◈。两者都具有耐辐射性ღ◈，并且在较小的密度下取得了一些成功ღ◈，但 ReRAM 也在努力扩大密度ღ◈，并实现离散存储器商业化ღ◈。Weebit Nano 可以说是最活跃和最引人注目的 ReRAM 公司ღ◈，该公司的大部分重点一直是为其离散式氧化硅 ReRAM 开发必要的选择器技术ღ◈。

　　这家以色列公司完成对其研发伙伴 CEA-Leti 所制造的 ReRAM 模组全面的技术鉴定ღ◈，CEA-Leti 在 Weebit 的进展中发挥了重要作用ღ◈。Weebit 行销副总裁 Eran Briman 提到ღ◈，该鉴定是根据 JEDEC 非挥发性存储器（NVM）的业界标准来进行ღ◈，证实 Weebit 的嵌入式技术适合批量生产ღ◈。其 ReRAM 展示芯片包括完整的嵌入式应用子系统ღ◈，包括 Weebit ReRAM 模组ღ◈、RISC-V MCUღ◈、系统界面ღ◈、存储器与周边设备ღ◈。

　　今年年初ღ◈，Weebit Nano 展示了其如何将最初的 ReRAM 模组结合到一个完整的子系统中ღ◈，包括一个 RISC-V MCUღ◈、系统界面ღ◈、静态随机存取存储器（SDRM）与周边ღ◈。来源ღ◈：Weebit Nano

　　同时ღ◈，Weebit 的嵌入式 ReRAM 模组已经从 SkyWater 的美国生产厂交付给 Weebit——这是第一次从生产厂收到 Weebit ReRAM 的硅晶圆——并证明其 ReRAM 可以用标准工具与成熟的制程生产ღ◈，使其更容易被客户的系统单芯片（SoC）设计所采用ღ◈。

　　Briman 在接受《EE Times》采访时说到ღ◈，Skywater 的交付是一个重要的里程碑ღ◈。该公司与 CEA-Leti 一起ღ◈，最近展示了其 ReRAM 选择器如何使用标准材料与工具实现离散芯片所需的高密度ღ◈，同时也能够嵌入应用ღ◈，为未来 SoC 提供更高的 NVM 密度ღ◈。他说ღ◈，这意味着该选择器可以在台积电等晶圆代工厂结合到嵌入式装置中ღ◈。「这相当有意义ღ◈，因为这意味着我们可以缩小这些存储器阵列尺寸ღ◈。」

　　精心设计一个选择器是很重要的ღ◈，因为它可以确保只有应该被存取的特定单元实际被存取ღ◈，而所有其他单元都被断开ღ◈，不会受到影响ღ◈。嵌入式 ReRAM 设计传统上使用晶体管作为选择器元件ღ◈，但它们增加了一个储存位元的单元面积ღ◈，不能支持离散芯片所需的高密度ღ◈。进一步发展 ReRAM 的其他方法包括 3D 堆叠式 ReRAM 交叉点结构与技术ღ◈，可以提高每个芯片的位元容量ღ◈，以及最大限度地降低成本ღ◈。

　　Weebit 两年前开始加大离散 ReRAM 的开发力道可以做差差的游戏破解版ღ◈，当时的驱动力是潜在客户的迫切需求ღ◈，以及离散 ReRAM 在遇到量产挑战时ღ◈，成为 NOR 快闪存储器替代品的现实机会ღ◈。正如 Weebit 执行长 Coby Hanoch 之前告诉《EE Times》的那样ღ◈，当时的计划是ღ◈，嵌入式 ReRAM 的收入将为离散方面的进展提供资金ღ◈，包括选择器ღ◈，而对神经形态运算应用的资源投入时机是一个长期的机会ღ◈。

　　Briman 说ღ◈，与英飞凌的 FRAM 一样ღ◈，Weebit 的 ReRAM 是工业级的ღ◈，这使得它对包括汽车与航空航天在内的恶劣环境非常有用ღ◈，特别是在快闪存储器无法处理辐射的地方ღ◈。「我们的产品面对辐射非常强健ღ◈，在高温状态也非常稳健ღ◈。」

　　他说ღ◈，Yole Group 发表的其他研究报告预测ღ◈，嵌入式 ReRAM 市场将在 5 年内达到 10 亿美元大关ღ◈，而且晶圆代工厂ღ◈、晶圆厂与整合元件制造商（IDM）也有很大的兴趣ღ◈。

　　Briman 说ღ◈，ReRAM 的主要挑战是继续缩小到更低的制程节点ღ◈。Weebit 很快就会推出 22 纳米与 8Mb 元组的存储器模组ღ◈，「而且我们已经在研究更先进的制程节点」ღ◈。但他指出ღ◈，每个节点都有自己的资格要求ღ◈，以确保可靠性与耐用性ღ◈，同时在缩小规模时保持存储器单元的电流与电压ღ◈，所以前面有许多技术挑战ღ◈。「从嵌入式市场开始ღ◈，它的存储器阵列较小ღ◈，是进入这个市场的一个更好的入口ღ◈。嵌入式领域有足够大的市场机会ღ◈。」

　　根据 Coughlin/Handy 的报告ღ◈，除了 Weebit 之外ღ◈，目前还有一些 ReRAM 元件可用于特殊应用ღ◈。CrossBar 已经对一个 40 纳米的 ReRAM 进行了采样ღ◈，由其代工伙伴中芯国际制造ღ◈，Microsemi（已被 Microchip 收购）与 Microchip 授权其技术ღ◈。该公司最近一直专注于将其技术应用于硬件安全应用ღ◈，其形式是基于 ReRAM 的加密物理不可仿制（unclonable）功能密钥ღ◈，可在安全运算应用中生成ღ◈。这些密钥并不是新技术ღ◈，但由于网络银行与物联网（IoT）的出现而得到更多关注ღ◈，这为银行卡或支付终端等专用电子设备的安全之外创造了机会ღ◈。

　　Coughlin/Handy 报告指出的 ReRAM 的其他应用包括人工智能ღ◈。与 PCM 一起ღ◈，它通常被称为神经网络的架构中储存线性加权配置ღ◈，这是一种非常简化地推理引擎ღ◈，可以在非常短的时间内以低精准度执行大量的数学运算ღ◈。

　　与 FRAM 与 ReRAM 不同ღ◈，MRAM 作为离散与嵌入式存储器在量产与提供显著密度方面取得了更多进展ღ◈，它有多种形式ღ◈，其中有两种更常见的存储器产品ღ◈：Toggle 模式与自旋转移矩（spin transfer torqueღ◈，STT)可以做差差的游戏破解版ღ◈。切换式 MRAM 正在成为替代 SRAM 的持久性存储器标准ღ◈，并被用于运输ღ◈、航空航天ღ◈、企业ღ◈、医疗ღ◈、物联网与工业应用ღ◈。

　　随着 STT MRAM 密度的扩大ღ◈，它正逐渐走向成为资料中心应用的通用存储器ღ◈，因为与 Toggle 相比ღ◈，它可以达到更高的密度ღ◈、更低的功耗ღ◈，并降低成本ღ◈。Everspin Technologies 拥有离散与嵌入式存储器件的产品线ღ◈，最近ღ◈，该公司推出了 EMxxLX STT-MRAM 元件ღ◈，该元件设计用于资料持久性与完整性ღ◈、低电力ღ◈、低延迟与安全性至关重要的电子系统ღ◈，如工业物联网（IIoT)ღ◈、网络/企业基础设施ღ◈、过程自动化与控制ღ◈、航空航天ღ◈、医疗ღ◈、游戏与 FPGA 配置凯发k8ღ◈。

　　Everspin Technologies 总裁暨执行长 Sanjeev Aggarwal 在接受《EE Times》采访时提到ღ◈，其最新的 MRAM 可以在高密度下取代 NOR 快闪存储器ღ◈。对于 Everspin 来说ღ◈，将离散的 MRAM 产品推向市场要比嵌入式产品更快ღ◈，对于后者ღ◈，它正与 GlobalFoundries 等代工伙伴进行大量合作ღ◈。虽然 Toggle 和 STT MRAM 在温度范围ღ◈、速度和资料保留方面都非常适合工业应用可以做差差的游戏破解版ღ◈，但「STT MRAM 允许我们将 MRAM 从低密度扩展到高密度ღ◈，」Aggarwal 提到凯发k8ღ◈。当其进入更小的节点时ღ◈，所需要更的电流会更少ღ◈。

　　Aggarwal 说ღ◈，Everspin 已经为资料中心应用提供了近五年的 DDR 界面 MRAMღ◈，并不断扩大其 SRAM 替代产品的市场比重ღ◈。MRAM 替代的另一个候选者是 NOR 快闪存储器ღ◈，与其他新世代存储器相比ღ◈，它的优势之一是不需要做任何擦除ღ◈。Aggarwal 说ღ◈：「对于电阻式存储器ღ◈，需要有一个擦除命令ღ◈，这会导致更长的延迟与更高的功率ღ◈。」他并补充ღ◈，另一个市场机会是在 FPGA 内ღ◈，它也采用 NOR 快闪存储器ღ◈。

　　尽管 MRAM 有这么多机会ღ◈，Aggarwal 并不幻想它能完全取代 DRAMღ◈，包括低电力 DRAM 或 NAND 快闪存储器ღ◈。「我不认为从成本角度来看ღ◈，我们将永远没有竞争力ღ◈，但我们能做的是作为相邻的存储器ღ◈。且作为相邻的存储器ღ◈，STT MRAM 仍有相当大的优势ღ◈。」

　　Aggarwal 表示ღ◈，邻接可以透过 Compute Express Link (CXL）界面来完成ღ◈，该界面旨在最佳化存储器资源的使用ღ◈，以便将正确的存储器用于正确的工作负载ღ◈，同时尽量减少资料必须传输的距离ღ◈。「CXL 所做的是允许你在设备侧处理具有不同延迟的存储器ღ◈。在这个意义上ღ◈，CXL 是 MRAM 可以使用的界面凯发k8ღ◈。」

　　Coughlin/Handy 报告指出ღ◈，MRAM 的重要优势在于它需要更少的遮罩ღ◈，从而降低了生产的复杂性ღ◈。由于 PCM 尚未成为一种可行的代工技术ღ◈，而 ReRAM 在很大程度上仍处于研究与开发阶段ღ◈，嵌入式 MRAM 看起来是嵌入式 NOR 快闪存储器的资料ღ◈。它还能耐受辐射ღ◈，使它对空间硬化的应用非常有用凯发k8ღ◈。Everspin 最近与 QuickLogic 签订了一份合约ღ◈，提供 MRAM 技术ღ◈、设计与后段制造服务凯发k8ღ◈。他们将共同开发与演示战略防辐射ღ◈、高可靠性的 FPGA 技术ღ◈，以支援已确定与未来的美国国防部（DoD）策略与空间系统要求ღ◈。

　　报告指出ღ◈，除了 Everspinღ◈，其他著名的 MRAM 开发商包括 Avalanche Technologyღ◈，该公司几年来一直在研究自家版本的垂直 STT MRAMღ◈，并主要关注军用级产品ღ◈，而三星为其嵌入式产品制定了广泛的 MRAM 开发计划ღ◈。2022 年初ღ◈，该公司展示了一种处理储存资料并用于人脸检测的存储器运算 MRAM 芯片ღ◈；三星的芯片将运算元素添加到 64 × 64 单元的 MRAM 元件横条阵列中ღ◈，以加快人工智慧任务ღ◈。

　　近年来另一个备受瞩目的新兴存储器是 PCMღ◈，但其在市场上的成长完全依赖美光（Micron）和 Intel 联合开发的 3D XPoint 技术ღ◈。随着美光在 2021 年 3 月退出该市场ღ◈，几乎没有什么产品开发ღ◈，而 Intel 在经过认真的开发投资和行销后ღ◈，在 2022 年夏天停掉了其 Optane 固态硬碟（SSD）和 DIMMღ◈，由于 Optane 并未成功ღ◈，所以他怀疑是否有人会再追捧它可以做差差的游戏破解版ღ◈，但如果 Intel 出售专利或工程师接手经营一家可以为其他应用做 PCM 的独立公司ღ◈，他也不会感到惊讶ღ◈。

　　整体而言ღ◈，Handy 指出有一些利基市场需要新兴存储器的特定性能ღ◈，如耐辐射性ღ◈。「现在人们真正重视新兴存储器技术的地方是对电源敏感的应用ღ◈，所以这将是该技术获得立足点的一个较佳领域ღ◈。」但他说ღ◈，最终ღ◈，新兴的存储器仍然面临着一个长期以来的「鸡和蛋」挑战ღ◈，即使它们有可能解决更高密度的问题ღ◈。

　　「如果采用更严格的制程ღ◈，可以达到更高的密度ღ◈，但采用更严格的制程需要成本ღ◈。」Handy 总结ღ◈。