文|半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫

多年來，各大廠商多年來孜孜不倦地追求閃存更高層數(shù)和內(nèi)存更先進(jìn)制程?，F(xiàn)代社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代——一方面，數(shù)據(jù)呈爆炸式增長，芯片就必須需要具備巨大的計(jì)算能力 ；另一方面，依據(jù)傳統(tǒng)摩爾定律微縮的半導(dǎo)體技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)越來越大、需要的成本越來越高、實(shí)現(xiàn)的性能提高也趨于放緩。

應(yīng)用材料公司金屬沉積產(chǎn)品事業(yè)部全球產(chǎn)品經(jīng)理周春明博士說：“DRAM、SRAM、NAND這些傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器，已經(jīng)有幾十年歷史了，它們還在一直在向前發(fā)展，不斷更新?lián)Q代，尺寸越來越小，成本越來越低，性能越來越強(qiáng)?！钡且呀?jīng)開始出現(xiàn)無法超越的“墻”，新型存儲(chǔ)應(yīng)運(yùn)而生。

01、什么“墻”？

全新的存儲(chǔ)器MRAM，ReRAM，PCRAM，相對(duì)于傳統(tǒng)存儲(chǔ)器來說，具有很多方面獨(dú)特的優(yōu)勢，能夠在計(jì)算系統(tǒng)層級(jí)實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的計(jì)算性能、功耗和成本。

為滿足對(duì)海量信息的高速處理需求,同時(shí)兼顧系統(tǒng)功耗和成本,當(dāng)前信息系統(tǒng)中所使用的存儲(chǔ)器已經(jīng)發(fā)展出了一套由不同特性存儲(chǔ)器組成的多級(jí)存儲(chǔ)架構(gòu)。一般而言,這一存儲(chǔ)架構(gòu)由靠近計(jì)算端的內(nèi)核存儲(chǔ)器、承上啟下的主存儲(chǔ)器,以及靠近數(shù)據(jù)端的外部存儲(chǔ)器組成。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用而言，將閃存（傳統(tǒng)的 NVM）嵌入到 28nm 以下的 SoC 中在經(jīng)濟(jì)上并不可行。即使采用 3D 堆疊、高級(jí)封裝和小芯片架構(gòu)，嵌入式閃存也面臨著巨大的成本、功耗和安全挑戰(zhàn)。由于這些集成挑戰(zhàn)——以及閃存的其他挑戰(zhàn)——2023 年將有更多公司在高級(jí)節(jié)點(diǎn)上尋找 NVM 替代方案。

來源：信息通信技術(shù)與政策

隨著人工智能（AI）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、5G通信等技術(shù)和應(yīng)用的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)的產(chǎn)生已經(jīng)呈指數(shù)級(jí)增長。以前我們主要是受計(jì)算能力限制，就是受處理器限制，而過去幾十年摩爾定律推動(dòng)了處理器性能的極大提升，現(xiàn)在的計(jì)算能力更多的受限于數(shù)據(jù)在處理器和存儲(chǔ)器之間的讀取和傳輸。由于數(shù)據(jù)的海量增長，現(xiàn)有的計(jì)算架構(gòu)已經(jīng)無法滿足進(jìn)一步發(fā)展的需要，于是我們更多的關(guān)注存儲(chǔ)器的發(fā)展。傳統(tǒng)存儲(chǔ)器已經(jīng)限制了計(jì)算能力的提高，面臨多重困難和挑戰(zhàn)。

以MRAM、ReRAM和PCRAM為代表的新型存儲(chǔ)器，能夠帶來獨(dú)特的優(yōu)勢。

02、不神秘的新型存儲(chǔ)

為什么新型存儲(chǔ)器很重要？因?yàn)楦鷤鹘y(tǒng)的存儲(chǔ)器相比，它們有很多獨(dú)特的功能和優(yōu)勢。用新型的存儲(chǔ)器跟現(xiàn)在傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器結(jié)合，就可以實(shí)現(xiàn)更好的“近存儲(chǔ)器計(jì)算”。同時(shí)，這些新型存儲(chǔ)器又可為將來的發(fā)展，也就是“存儲(chǔ)器內(nèi)計(jì)算”（In-MemoryCompute）打下基礎(chǔ)?！按鎯?chǔ)器內(nèi)計(jì)算”就是把存儲(chǔ)跟處理整合到一起，存儲(chǔ)就是計(jì)算、計(jì)算就是存儲(chǔ)，這樣兩者之間就沒有數(shù)據(jù)傳輸，沒有數(shù)據(jù)傳輸就沒有延時(shí)、沒有功耗。所以，“存儲(chǔ)器內(nèi)計(jì)算”可以在性能和功耗上達(dá)到顯著提升。預(yù)計(jì)未來兩年到五年，“存儲(chǔ)器內(nèi)計(jì)算”會(huì)逐步的發(fā)展和應(yīng)用。而最先進(jìn)的可能是一些新型的類腦計(jì)算，叫“高性能計(jì)算”，這項(xiàng)技術(shù)可能需要更長的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)。

機(jī)遇

來源：中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊

MRAM是磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，采用硬盤驅(qū)動(dòng)器中常見的精密磁性材料，具有快速存取和非易失性能。它的架構(gòu)非常簡單，它的存儲(chǔ)單元直接嵌入到邏輯的電路里面，不額外占用“硅”的面積，因此可以做得非常小，一個(gè)晶體管即可控制一個(gè)存儲(chǔ)單元。同時(shí)，因?yàn)镸RAM在待機(jī)時(shí)不耗電，因此，用MRAM替代SRAM和閃存，就可以實(shí)現(xiàn)低功耗、高性能，這對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)中的邊緣終端非常重要。將MRAM集成到物聯(lián)網(wǎng)芯片的后端互連層中，相比于現(xiàn)有利用SRAM和eFlash架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)更小的裸片尺寸和更低的成本。

PCRAM是相變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，采用的是DVD光盤中常見的相變材料，通過將材料狀態(tài)從非晶態(tài)更改為晶態(tài)對(duì)數(shù)據(jù)位進(jìn)行編程。

ReRAM是電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，采用的工作原理類似保險(xiǎn)絲的新材料制成，能夠在數(shù)十億個(gè)存儲(chǔ)單元中選擇性地形成細(xì)絲來表示數(shù)據(jù)。ReRAM和PCRAM還有望實(shí)現(xiàn)和編輯多個(gè)電阻率中間形態(tài)，以便在每單個(gè)存儲(chǔ)器單元中存儲(chǔ)多位數(shù)據(jù)。ReRAM和PCRAM這兩類存儲(chǔ)器可以跟MRAM一樣，做嵌入式應(yīng)用。但是，更有吸引力的地方在于，ReRAM和PCRAM與NAND存儲(chǔ)器類似，可以實(shí)現(xiàn)3D結(jié)構(gòu)排列，存儲(chǔ)器制造商可以在更新?lián)Q代過程中逐步增加層數(shù)，從而穩(wěn)定地增大容量、降低存儲(chǔ)成本。ReRAM和PCRAM的成本可以明顯低于DRAM。

而且它們還能夠提供比NAND和硬盤驅(qū)動(dòng)器更快的讀取性能。這使得ReRAM和PCRAM在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)中心方面非常有吸引力。ReRAM還是未來存儲(chǔ)器內(nèi)計(jì)算架構(gòu)的首選產(chǎn)品，在這一架構(gòu)中，計(jì)算元件將集成到存儲(chǔ)器陣列中，協(xié)助克服與AI計(jì)算相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸。隨著當(dāng)今的數(shù)據(jù)產(chǎn)生呈指數(shù)級(jí)增長，對(duì)于云數(shù)據(jù)中心連接服務(wù)器和存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)路徑，其速度和功耗也需要實(shí)現(xiàn)跨數(shù)量級(jí)的改進(jìn)。

03、產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

近期，ChatGPT爆火，它也正在榨干算力。英飛凌宣布其下一代 AURIX ?微控制器 ( MCU ) 將采用新型非易失性存儲(chǔ)器 ( NVM ) RRAM ( ReRAM ) ；億鑄科技專注于研發(fā)基于RRAM的全數(shù)字存算一體大算力AI芯片。ChatGPT，需要存算一體的“解救”，也需要該架構(gòu)下，更物美價(jià)廉（微縮性好、單位面積小、成本低）的新型存儲(chǔ)器RRAM的大力支持。億鑄科技今年將誕生首顆基于RRAM的存算一體AI大算力芯片。屆時(shí)，或許“ChatGPT們”以及其下游的應(yīng)用能夠基于該芯片，更輕松地吸取算力，更快實(shí)現(xiàn)“智力”升維。我們來看看三種新型存儲(chǔ)落地如何。

PCM目前產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展最快,主要用于獨(dú)立式存儲(chǔ)領(lǐng)域。英特爾和美光聯(lián)合研發(fā)的3DXpoint存儲(chǔ)器是目前唯一大規(guī)模商用的PCM產(chǎn)品。英特爾為推廣這一產(chǎn)品將其加入了相應(yīng)CPU的支持,同時(shí)還提供了配套的各類驅(qū)動(dòng)程序,使得其數(shù)據(jù)訪問速度得到顯著提升，目前已應(yīng)用于百度信息流服務(wù)數(shù)據(jù)中心。技術(shù)方面,英特爾與美光優(yōu)勢顯著,IBM與三星也有一定技術(shù)積累。英特爾與美光聯(lián)合研發(fā)了PCM相關(guān)技術(shù),并于2015年率先量產(chǎn)了具有商業(yè)化價(jià)值的128Gb 3DXpoint芯片,這也是目前唯一商用的PCM產(chǎn)品。

IBM從2006年開始研發(fā)PCM，技術(shù)路線與英特爾、美光不同,擁有完整的專利布局。

三星目前僅實(shí)現(xiàn)了小容量PCM樣片，技術(shù)路線與英特爾、美光相同,處于跟隨狀態(tài)。

MRAM 技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

MRAM已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，主要用于嵌入式存儲(chǔ)。

三星的嵌入式MRAM已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用于華為GT2智能手表的衛(wèi)星定位模塊中,能夠有效地降低功耗,延長待機(jī)時(shí)間。

MRAM也有少量獨(dú)立式存儲(chǔ)應(yīng)用,主要利用其抗輻射性能,用于航空航天等特殊市場,如空客A350飛機(jī)使用MRAM作為機(jī)上存儲(chǔ)器。

技術(shù)方面,目前主流的MRAM技術(shù)主要以美國Everspin公司推出的STT-MRAM（垂直混合自旋扭矩轉(zhuǎn)換磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器）為代表。Everspin是一家設(shè)計(jì)、制造和商業(yè)銷售離散和嵌入式磁阻RAM（MRAM）和自旋傳遞扭矩MRAM（STT-MRAM）的企業(yè)。

2019年，Everspin與晶圓代工廠格芯合作，試生產(chǎn)28nm 1Gb STT-MRAM產(chǎn)品；2020年3月，雙方宣布已將聯(lián)合開發(fā)的自旋轉(zhuǎn)矩（STT-MRAM）器件的制造，擴(kuò)展至12 nm FinFET平臺(tái)，通過縮小制程有助于雙方進(jìn)一步拉低1Gb芯片成本。Everspin在數(shù)據(jù)中心、云存儲(chǔ)、能源、工業(yè)、汽車和運(yùn)輸市場中部署了超過1.2億個(gè)MRAM和STT-MRAM產(chǎn)品。

三星和臺(tái)積電已經(jīng)開始將MRAM應(yīng)用于嵌入式存儲(chǔ)中,如三星在2019年為索尼代工的衛(wèi)星定位模塊中使用MRAM技術(shù),已隨華為GT2手表出貨超過100萬套。臺(tái)積電在2020年集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域最高級(jí)別的國際會(huì)議ISSCC上發(fā)布了32Mb嵌入式STT-MRAM。此外,專利方面,日本東芝位列全球MRAM專利第一,專利總數(shù)幾乎是第二名三星的兩倍,高通、索尼、IBM等企業(yè)也擁有大量MRAM專利。

產(chǎn)業(yè)方面，獨(dú)立式MRAM市場較小，三星、臺(tái)積電等企業(yè)將大力推動(dòng)嵌入式市場。

RRAM 目前尚無大規(guī)模商用。