傳統(tǒng)存儲器技術(shù)讓國內(nèi)的紫光集團(tuán)、合肥長鑫、福建晉華三方人馬競相投入，以國產(chǎn)存儲芯片替代進(jìn)口的腳步如燎原之火，已難平息。

　　然另一支蟄伏近 20 年的新式存儲器技術(shù)隊伍包括 MRAM 、PCRAM 和 ReRAM，受惠技術(shù)、材料、設(shè)備等環(huán)節(jié)的關(guān)鍵突破，正邁向大規(guī)模量產(chǎn)的路上，眼前，我們正處于見證存儲器歷史的轉(zhuǎn)折點。

　　然而，這個時間點，也是國內(nèi)存儲器芯片突破“零”自制，邁向大規(guī)模生產(chǎn)的前夕，新式存儲技術(shù)對于傳統(tǒng)存儲器 DRAM 、 3D NAND 、 SRAM 會帶來怎樣的沖擊？是否會形成“取代”效應(yīng)？

　　英特爾 3D XPoint 橫空出世，產(chǎn)業(yè)再燃希望

　　新式存儲器可分為獨立型產(chǎn)品，以及嵌入于邏輯工藝，用于取代部分傳統(tǒng)的嵌入式快閃存儲器 eFlash 技術(shù)，而在嵌入式技術(shù)上，趨勢已快速成熟中。但用于獨立型存儲器上，目前還有性能、成本的問題待克服。

　　因此，新式存儲器無論是 MRAM 、PCRAM和 ReRAM等，并不會沖擊到現(xiàn)在國內(nèi)正如火如荼發(fā)展的DRAM 、3D NAND芯片產(chǎn)業(yè)，但對于一些應(yīng)用領(lǐng)域如云計算、物聯(lián)網(wǎng)帶動的邊緣計算，加入新式存儲器技術(shù)后，確實能讓整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展如虎添翼。

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圖 3D XPoint（來源：英特爾）

　　新式存儲器技術(shù)已經(jīng)被提出將近 20 年，成熟之路是跌跌撞撞。直到 2015 年，英特爾的 3D XPoint 技術(shù)橫空出世，被認(rèn)為是類似于 PCRAM 的結(jié)構(gòu)，整個新式存儲技術(shù)才算是豁然開朗，之后幾年的發(fā)展更是勢如破竹。

　　為了替新式存儲器產(chǎn)業(yè)添柴火，身為全球半導(dǎo)體龍頭的應(yīng)用材料針對 MRAM 、 PCRAM 、ReRAM 推出兩款機臺設(shè)備：Endura Clover MRAM 物理氣相沉積（PVD）機臺，以及 Endura Impulse 物理氣相沉積（PVD）機臺，成為推動該產(chǎn)業(yè)發(fā)展的有力推手。

　　DeepTech 通過與應(yīng)用材料兩位專家，分別是應(yīng)用材料中國區(qū)事業(yè)部總經(jīng)理兼首席技術(shù)官趙甘鳴博士，以及應(yīng)用材料金屬沉積產(chǎn)品全球產(chǎn)品經(jīng)理周春明博士的對話，來一窺新式存儲器將帶給這個世界什么樣的變化，借此見證存儲產(chǎn)業(yè)的歷史轉(zhuǎn)折。

　　在此，DeepTech 全景式分析近期新式存儲器全面崛起的關(guān)鍵原因，哪些大廠已開始量產(chǎn)，應(yīng)用原理和領(lǐng)域，以及為產(chǎn)業(yè)帶來的助益。

　　摩爾定律漸失效，新式存儲器接棒上戰(zhàn)場

　　1965 年問世的摩爾定律至今已超過 50 年，為全球電子產(chǎn)業(yè)寫下無數(shù)里程碑歷史，但走到今天，依據(jù)該定律所設(shè)計和生產(chǎn)的芯片在半導(dǎo)體最重視的四大標(biāo)準(zhǔn) PPAC（功耗 Power、性能 Performance、面積 Area、成本 Cost）都逐漸遞減。

　　很多物聯(lián)網(wǎng)、云計算所需要的芯片，已是摩爾定律所無法提供的，這是為什么？

　　在“萬物互聯(lián)”和“工業(yè) 4.0 ”時代背景下，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式的增長。舉個例子，我們一個人一天約產(chǎn)生 1GB 數(shù)據(jù)，但是當(dāng)你要開一輛無人駕駛汽車，一天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量可能高達(dá) 4000 GB ，相當(dāng)于 4 千倍。

　　2019 年是很關(guān)鍵的一年，機器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)已經(jīng)超過了人類所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，這是人類歷史上第一次；預(yù)計到 2022 年，機器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可能會是人類產(chǎn)生數(shù)據(jù)的 9 倍之多。

來源：Pixabay

　　未來世界運算的邏輯是，數(shù)據(jù)來自機器的搜集，包括車、智慧城市、智能家居等，所有產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都要從終端、從邊緣，通過各層傳輸、計算，然后再到云端、到大數(shù)據(jù)中心，再計算、再返回到終端。

　　在這短短的時間內(nèi)，排山倒海的數(shù)據(jù)量涌入后，又要源源不絕地被計算、處理，以及再傳輸，是非常挑戰(zhàn)芯片效能的，且現(xiàn)有的計算架構(gòu)早已無法滿足核心需求。

　　過去“摩爾定律”的時代，追求把晶體管做得越來越小，目標(biāo)是每 18 個月～兩年晶體管數(shù)增加一倍，但隨著該定律的效應(yīng)遞減，從 14 nm 納米到 10 nm 納米，可能要花上 4 年時間，從 10 nm 再往下走到 7 nm 、5 nm，則需要更長的時間，試想英特爾 10 nm 一直遞延就可窺知一二。

　　因此，越來越多人爭論摩爾定律是否壽命已經(jīng)到了盡頭？

　　解答這個問題，我們可以這樣思考。如果繼續(xù)用傳統(tǒng)思維，以縮減晶體管尺寸的方式增加密度，那確實是做不下去。但是，換個角度思考，還有很多方式可以來實現(xiàn)上述的 PPAC（功耗、性能、面積、成本）。

來源：DeepTech　　

　　業(yè)界目前已經(jīng)提出各種“招數(shù)”來延續(xù)摩爾定律，在此 DeepTech 以五大層面來探討。

　　新架構(gòu)：如 Google 的 TPU、Nvidia 的 GPU，當(dāng)成是一個加速器的角色來提高計算，尤其是在云端的計算性能。

　　新結(jié)構(gòu)：如 2D 兩維轉(zhuǎn)到 3D 三維 NAND，因為是三維結(jié)構(gòu)，因此可以一直往上堆，往上的空間可以一直提高。

　　新材料：以前拿一張元素周期表出來，就那幾個元素在半導(dǎo)體、晶體管里面，現(xiàn)在已經(jīng)增加很多，比如銅制程取代鋁制程、鈷又再取代銅，都可以顯著提高晶體管的性能，彰顯新材料對于提升 PPAC 方面所起的重要作用。

　　新微縮技術(shù)：ASML 極紫外光刻 EUV。

　　新封裝技術(shù)：將各式不同工藝技術(shù)，像是 28nm 或是 5nm 的處理器、存儲器、加速器等不同芯片，通過先進(jìn)的封裝技術(shù)整合到一起，從系統(tǒng)層面上實現(xiàn)最優(yōu)的性能。例如臺積電近幾年推出的封裝技術(shù) InFO 、CoWoS 、3D IC，以及英特爾推出的 EMIB 、Forevos，都是從后段制程著手，延續(xù)摩爾定律壽命。

　　In-Memory Computating 概念火起來

　　大數(shù)據(jù)時代，彰顯巨大運算需求的重要性，同時也帶動硬件的開發(fā)和投資的復(fù)興，比方上述提到的加速器，如果再往下更深層的探討，這里要提出一個概念，就是“近存儲器計算”（Near Memory Computing）。

　　什么是 Near Memory Computing？簡單來說，過去我們常常有個觀念是“處理器為王”，認(rèn)為處理器的能力是最重要的，但現(xiàn)在不然。

　　因為，計算能力已不再是單獨的處理器能力決定，而是說處理器跟存儲器之間來回的傳輸數(shù)據(jù)，也因為面臨瓶頸，導(dǎo)致計算能力無法再前進(jìn)。

　　Near Memory Computing 的定義，就是用大量的高帶寬、大容量，把存儲器和計算處理器更緊密連在一起，在系統(tǒng)層級增加計算性能。

　　這概念其實都是用現(xiàn)有的構(gòu)建模塊，比如 DRAM、NAND 、SRAM 等去實現(xiàn)，未來也逐漸與新式存儲器 MRAM、ReRAM、PCRAM 結(jié)合來增加計算性能，并且打造“存儲器計算”（In-Memory Computating）的基礎(chǔ)。

　　In-Memory Computating 在這幾年是個非?；鸬母拍?，但可能還要至少 3 ~ 5 年的時間才能實現(xiàn)。不同于 Near Memory Computing 是把存儲跟處理放得更靠近，In-Memory Computating 就是把存儲和處理器整合在一起進(jìn)行計算，就沒有傳輸、延遲等問題，并且大幅提升效能。

　　往后看 10 ~ 20 年，類腦計算、量子計算都可以實現(xiàn)上述目標(biāo)，但這些技術(shù)太過遠(yuǎn)大，如果要盡快實現(xiàn) In-Memory Computating 的目標(biāo)，至少在 5 年之內(nèi)，新式存儲器將扮演很重要角色。

　　哪些半導(dǎo)體大廠已經(jīng)開始量產(chǎn)新式存儲器

　　在探討新式存儲器的運作原理之前，先來談?wù)勀男┌雽?dǎo)體大廠已經(jīng)量產(chǎn) MRAM 、 ReRAM 等技術(shù)。

　　目前投入研發(fā)或生產(chǎn)新式存儲器技術(shù)的陣營可分為三大類。

　　第一類：邏輯工藝晶圓代工廠，包括臺積電、GlobalFoundries、中芯國際、三星電子等，主要是在主流的工藝技術(shù)中嵌入 MRAM 、 ReRAM 存儲技術(shù)，屬于嵌入式存儲器的使用，并非生產(chǎn)獨立式的存儲器。

　　第二類：獨立型存儲器制造商，如群聯(lián)與 Evenspin 合作將 1Gb STT-MRAM 整合進(jìn)入企業(yè)級 SSD 系統(tǒng)扮演緩存，以提升 SSD 效能。

　　第三類：研究機構(gòu)、學(xué)術(shù)單位等。

　　除了英特爾與美光合作開發(fā)的 3D XPoint 技術(shù)之外，正在開發(fā) MRAM 、 ReRAM 、 PCRAM 技術(shù)的半導(dǎo)體大廠包括臺積電、IBM、SK 海力士、西部數(shù)據(jù)、GlobalFoundries 等。

來源：DeepTech

　　臺積電在技術(shù)論壇中，其實有透露 MRAM 和 ReRAM 技術(shù)進(jìn)程。

　　臺積電目前的 40nm ReRAM 已經(jīng)具備量產(chǎn)能力，在物聯(lián)網(wǎng)芯片上，取代傳統(tǒng)的嵌入式閃存 eFlash 技術(shù)，強調(diào)存儲的芯片可以保存 10 年，并且經(jīng)過 1 萬次讀寫。

　　再者，臺積電的 22 nm MRAM 同樣也具備量產(chǎn)能力，與 ReRAM 技術(shù)不同的是，這項 MRAM 技術(shù)是應(yīng)用在移動設(shè)備、高效能計算 HPC 、汽車電子等領(lǐng)域，取代傳統(tǒng)的嵌入式閃存 eFlash 技術(shù)。

　　以性能來看，22 nm MRAM 相較于 eFlash 技術(shù)的寫入速度快三倍，且資料可以保存 10 年、在高溫下承受 100 萬次的讀寫。

　　SK 海力士先進(jìn)薄膜技術(shù)部負(fù)責(zé)人 Sung Gon Jin 也表示，除了在 DRAM 和 NAND 外，也投入新一代存儲器的開發(fā)，以提高數(shù)據(jù)中心的效率。

　　此外，GlobalFoundries 也是投入新型態(tài)嵌入式存儲技術(shù) MRAM 多年，與 Everspin 聯(lián)合開發(fā)，公司日前也披露在 22 nm FD-SOI 工藝流程中導(dǎo)入嵌入式 eMRAM 技術(shù)，來生產(chǎn)復(fù)雜的車用 MCU 芯片，或?qū)?yīng)用于先進(jìn)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）系統(tǒng)，或是其他車用系統(tǒng)中。

圖 GlobalFoundries （來源：DeepTech）

　　新式存儲器的原理和應(yīng)用領(lǐng)域

　　MRAM 為磁性隨機存取存儲器，架構(gòu)是在晶體管中的存儲單元就在后端互聯(lián)，甚至不占用“硅”的面積，可以做到直接嵌入到邏輯的電路里，因此可以做的非常小，一個晶體管一個存儲單元。

　　再者， PCRAM 就是相變隨機存取存儲器，以及 ReRAM 是叫電阻隨機存取存儲器，比 MRAM 更有吸引力之處在于，這兩種新式存儲技術(shù)可以跟 NAND 一樣，實現(xiàn) 3D 三維的架構(gòu)。

　　3D 架構(gòu)的好處就是可以一直堆疊，每加一層時，存儲器的密度就可以增加一倍，再者，成本也可以下降，這樣的特性可以做到大容量、低成本，因此用在云計算、大數(shù)據(jù)中心是非常有吸引力的。

　　可以說，新式存儲器的應(yīng)用范圍很廣，但若把其效益發(fā)揮至最大值，先鎖定兩大應(yīng)用：物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)中心。

　　我們常常講的物聯(lián)網(wǎng)，就是所謂的邊緣終端、邊緣設(shè)備。

　　現(xiàn)在的邊緣設(shè)備架構(gòu)，就是一個邏輯芯片加上一個 SRAM 芯片，其中，SRAM 的功能是計算，然后再加一個 3D NAND 芯片，用來存儲算法/軟件/代碼。

　　所謂“邊緣”，就是因為沒有連線，無法通電，這時候功耗的問題就很重要，因為功耗決定可以用多長的時間。

　　這時，MRAM 就可以替代 SRAM 的功能。因為 SRAM 是不用的時候也在耗電，甚至還漏電，但有些邊緣設(shè)備可能 99%  的時間都在待機，如果用 MRAM 部分取代 SRAM ，就可以改善很多的功耗問題。

　　3D NAND 也一樣，它實際上是高電壓的器件，若是部分用 MRAM 部分取代 3D NAND 也可以達(dá)到降低功耗的目的。

　　MRAM 有兩大優(yōu)點，第一是待機的時候不耗電，第二是比閃存便宜很多，若論缺點，則是 MRAM 的速度還沒有到 SRAM 等級。例如物聯(lián)網(wǎng)大量使用的 MCU 等，MRAM 就非常適合使用。

　　接著，來看云端和大數(shù)據(jù)中心。這塊領(lǐng)域有三個挑戰(zhàn)。首先，是海量數(shù)據(jù)的涌入，再來是需要快速進(jìn)行運算，第三個關(guān)鍵仍是回到功耗。

　　目前主流的架構(gòu)是 DRAM 再加上 SSD 去存儲數(shù)據(jù)，但要如何做到用新型的存儲器來提高性能？

　　方法一，是把 DRAM 部分取代掉，因為從功耗角度， DRAM 有功耗到問題。再者，PCRAM、ReRAM 可以做 3D 架構(gòu)后，在成本上具備優(yōu)勢。

　　方法二，是把 SSD 部分取代。SSD 的優(yōu)勢是便宜，受惠 3D NAND 堆疊技術(shù)成熟，現(xiàn)在 128 層堆疊都要量產(chǎn)， 3D NAND 成本越來越低，但弱點卻是性能。

　　如果用 PCRAM、ReRAM 取代部分 DRAM，一來同樣可以實現(xiàn) 3D 架構(gòu)，二來性能要比 SSD 好很多。

來源：Applied Materials 

　　新式存儲器如何工作

　　磁性存儲器是一個三層的結(jié)構(gòu)，中間叫“隧道結(jié)”，是氧化鎂，兩邊是兩個磁性層，磁性層可以理解成兩個磁鐵，而這兩個磁鐵有南北極，如果南北極匹配的時候，電子就很容易通過去，電阻就是比較低的一個狀態(tài)。

　　再者，上下兩邊的磁性層可以通過電流把上邊變成和下邊反平行，就是不匹配。而當(dāng)不匹配時，電子就很難通過去，那它就是一個高電阻的狀態(tài)。

　　所以，通過低電阻和高電阻，實現(xiàn)“0”和“1”的存儲，實際上是一個基于電阻變化，通過磁性來實現(xiàn)高電阻、低電阻的原理的存儲器技術(shù)。

　　PCRAM、ReRAM 原理類似，是通過電流或電壓來控制。 PCRAM 是以晶型來控制低電阻、高電阻。當(dāng)全結(jié)晶時，就是一個低電阻的狀態(tài)，當(dāng)非晶型時，就是高電阻的狀態(tài)，以此實現(xiàn)“0”和“1”。

　　ReRAM 也類似，不導(dǎo)通的地方就是一個高電阻的，跟絕緣材料一樣，而通電以后就可以實現(xiàn)導(dǎo)電通路，呈現(xiàn)一個低電阻的狀態(tài)，所以跟 MRAM 類似，通過電阻高低來實現(xiàn)“0”和“1”。

　　簡而言之，要實現(xiàn)這種新式存儲器，就是要通過材料工程來實現(xiàn)這些存儲器的基礎(chǔ)，仍是有一些挑戰(zhàn)要克服。

來源：Applied Materials 

　　設(shè)備技術(shù)突破，規(guī)模化時代終于來臨　　

　　針對大規(guī)模生產(chǎn)新式存儲器，設(shè)備大廠的材料工程突破是關(guān)鍵。應(yīng)用材料針對 MRAM 設(shè)計的 Endura Clover MRAM PVD 系統(tǒng)，可以在真空條件下執(zhí)行多個工藝步驟，實行整個 MRAM 的 10 種材料，然后 30 多層一層一層地堆積，它的核心就是 Clover PVD，一個腔室最多可實現(xiàn) 5 種材料，然后在原子級別、亞原子級別上去實現(xiàn)一個薄膜的沉積。

　　之前提到 MRAM 中間有一個氧化鎂層，應(yīng)用材料表示，中間的氧化鎂層非常關(guān)鍵，會影響整個 MRAM Device 性能，應(yīng)用材料采用獨特的技術(shù)來建立，使整個 MRAM 都實現(xiàn)低功耗、高耐用。

　　在 MRAM 制造過程中，需要在一個平臺上實現(xiàn)超過 10 種材料、超過 30 層薄膜的堆積、沉積是非常復(fù)雜的。相較之下， PCRAM 和 ReRAM 沒有那么多層，但它還是有很多層的結(jié)構(gòu)，包括電極、選擇器、存儲器，里面的材料非常獨特。

　　比如說 PCRAM，其材料結(jié)構(gòu)是 GST ，包含鍺 Ge 、銻 Sb、碲 Te，并不是常用的材料，挑戰(zhàn)是如何沉積這些復(fù)合材料，控制其組分。

　　針對 PCRAM 和 ReRAM 大規(guī)模量產(chǎn)，應(yīng)用材料對應(yīng)的設(shè)備為 Endura Impulse PVD 系統(tǒng)，可嚴(yán)格控制多組分材料成分，同時可以實現(xiàn)出色的薄膜厚度、均勻性、界面控制。

　　以大趨勢觀之，新式存儲器的大規(guī)模量產(chǎn)會從嵌入式開始，比如臺積電將 ReRAM 和 MRAM 嵌入至現(xiàn)有工藝，之后新式存儲技術(shù)才會往獨立存儲器領(lǐng)域發(fā)展，因為其需要的密度會更高。

　　迎接“數(shù)據(jù)爆炸”時代，芯片急需高計算性能，偏偏遇上摩爾定律放緩的時代，而類腦芯片、量子計算距離實現(xiàn)又太遠(yuǎn)，新式存儲技術(shù)在磨刀多年后，遇上設(shè)備材料實現(xiàn)突破，正好可以趕上萬物互連、海量數(shù)據(jù)計算的時代，上戰(zhàn)場打仗。

　　新式存儲器大規(guī)模量產(chǎn)之際，正好遇上國內(nèi)的 3D NAND 和 DRAM 兩種傳統(tǒng)存儲器要加入國際競爭舞臺一搏高下之時。雖然彼此應(yīng)用領(lǐng)域、層面相異，但湊巧地，新舊技術(shù)同樣走在歷史轉(zhuǎn)折的一頁，互相見證全球科技產(chǎn)業(yè)鋪成的軌跡。