新興的非易失性存儲(chǔ)器（eNVM）在CMOS的基礎(chǔ)上，拓展了應(yīng)用范圍。在幾種選擇中，相變存儲(chǔ)器，自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（STT-RAM）、電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RRAM），以及英特爾的Optane等是主要的新興存儲(chǔ)技術(shù)。
盡管有COVID-19疫情影響，還有貿(mào)易爭(zhēng)端，再有，英特爾的Optane DIMM延遲，以及許多其它負(fù)面影響因素，但新興的存儲(chǔ)市場(chǎng)仍將在未來十年中顯著增長(zhǎng)。由Objective Analysis和Coughlin Associates聯(lián)合發(fā)布的最新報(bào)告“新興存儲(chǔ)找到了方向”表明，新興存儲(chǔ)技術(shù)正在迅速發(fā)展，到2030年的總收入將達(dá)到360億美元。這是由兩種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的：首先是當(dāng)今領(lǐng)先的嵌入式存儲(chǔ)技術(shù)SRAM和NOR閃存無法有效擴(kuò)展到28nm以上，因此將被嵌入式磁阻RAM（MRAM）或其他技術(shù)取代；第二個(gè)因素是采用了英特爾的Optane DIMM，正式稱為“Optane DC持久存儲(chǔ)模塊”，它有望搶占服務(wù)器DRAM市場(chǎng)的大量份額。
美光和英特爾推出了3D XPoint存儲(chǔ)技術(shù)，其使用了一種相變技術(shù)，具有很高的耐用性，性能比NAND好得多，盡管它比DRAM慢一些，但密度比DRAM高。這些優(yōu)點(diǎn)正在影響市場(chǎng)對(duì)傳統(tǒng)DRAM的需求。英特爾于2017年推出了采用Optane技術(shù)（基于3D XPoint）的NVM SSD，并于2019年開始銷售Optane DIMM模塊。
另外，磁性RAM（MRAM）和自旋隧道扭矩RAM（STT MRAM）開始取代NOR、SRAM以及部分DRAM。STT MRAM和MRAM的發(fā)展速度將促使其價(jià)格逐漸降低，并且假定其容量增加以降低生產(chǎn)成本（假設(shè)其容量增加，從而以高速和高耐久性的非易失性存儲(chǔ)器替代易失性存儲(chǔ)器，這些技術(shù)將具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力）。
鐵電RAM（FRAM）和某些RRAM技術(shù)具有某些利基應(yīng)用，并且隨著HfO FRAM的使用，可用于FRAM的利基市場(chǎng)的數(shù)量可能會(huì)增加。轉(zhuǎn)移到非易失性固態(tài)主存儲(chǔ)器和高速緩存存儲(chǔ)器將直接減少功耗，并啟用新的節(jié)能模式，從斷電狀態(tài)提供更快的恢復(fù)速度，并使更穩(wěn)定的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)即使在斷電時(shí)也能保持其狀態(tài)。最終，使用自旋而不是電流進(jìn)行邏輯處理的自旋電子技術(shù)可以用于制造未來的微處理器?；谧孕倪壿嬁梢詫?shí)現(xiàn)非常有效的內(nèi)存處理。
在電子工業(yè)中，將非易失性技術(shù)用作與CMOS邏輯結(jié)合的嵌入式存儲(chǔ)器非常重要。作為多晶體管SRAM的替代品，STT MRAM可以減少晶體管的數(shù)量，從而提供低成本，高密度的解決方案。許多企業(yè)和消費(fèi)類電子設(shè)備都將MRAM用作嵌入式高速緩存存儲(chǔ)器，并且所有主要的代工廠都在SoC產(chǎn)品中提供MRAM作為嵌入式存儲(chǔ)器。
STT MRAM的可用性加速了這種趨勢(shì)，并允許更高的容量。由于MRAM和STT-RAM工藝與常規(guī)CMOS工藝具有兼容性，因此這些存儲(chǔ)器可以直接構(gòu)建在CMOS邏輯晶圓之上，也可以在CMOS制造過程中集成。閃存與常規(guī)CMOS的兼容性不同。與SRAM相比，非易失性且更簡(jiǎn)單的MRAM和STT MRAM的節(jié)能效果顯著。由于MRAM$/GB的成本接近SRAM的成本，因此這種替換可能會(huì)引起市場(chǎng)的大幅擴(kuò)張。
設(shè)計(jì)師、代工廠和存儲(chǔ)器制造商要早謀劃
參與存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的晶圓代工廠和其他相關(guān)公司必須密切注意新興存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r和態(tài)勢(shì)，否則它們將被拋在競(jìng)爭(zhēng)者的身后。SoC的設(shè)計(jì)者和用戶應(yīng)該立即考慮非易失性存儲(chǔ)器對(duì)其設(shè)計(jì)的影響。這些新型存儲(chǔ)類型將帶來功耗和系統(tǒng)響應(yīng)能力的變化，將從根本上改變我們使用存儲(chǔ)技術(shù)的方式并從中受益。那些了解這些變化的人將具有深遠(yuǎn)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
對(duì)于所有類型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來說，新興的存儲(chǔ)技術(shù)都變得極為有趣。人工智能（AI）和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）芯片開始將它們用作嵌入式存儲(chǔ)器。大型系統(tǒng)已經(jīng)在改變其架構(gòu)，以采用新興的存儲(chǔ)器來替代當(dāng)今的標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)器技術(shù)。這種過渡將挑戰(zhàn)行業(yè)，但將帶來巨大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
今天，業(yè)界仍在尋找通用存儲(chǔ)器，而對(duì)于技術(shù)開發(fā)人員來說，有一天，某種通用存儲(chǔ)器或殺手級(jí)存儲(chǔ)器將能夠同時(shí)替代SRAM，DRAM和閃存。在可預(yù)見的未來，雖然下一代存儲(chǔ)技術(shù)仍然不能完全取代傳統(tǒng)存儲(chǔ)器，但它們可以結(jié)合存儲(chǔ)器的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)來滿足對(duì)利基市場(chǎng)的需求。
晶圓廠和研究機(jī)構(gòu)也是推進(jìn)新興存儲(chǔ)技術(shù)的重要一環(huán)。以用于嵌入式和DRAM替換的碳納米管RAM（NRAM）為例，碳納米管是圓柱形結(jié)構(gòu)，堅(jiān)固且導(dǎo)電，比DRAM快，并且像閃存一樣具有非易失性。
2017年，DARPA啟動(dòng)了多個(gè)項(xiàng)目，包括3DSoC。麻省理工學(xué)院，斯坦福大學(xué)和晶圓廠SkyWater是3DSoC計(jì)劃的合作伙伴，該計(jì)劃旨在開發(fā)將ReRAM堆疊在碳納米管邏輯之上的單片3D器件。目前，3DSoC器件是兩層或四層3D結(jié)構(gòu)，它將ReRAM置于碳納米管邏輯上。目標(biāo)是到2021年提高產(chǎn)量并提供多項(xiàng)目晶圓生產(chǎn)（MPW）。
2019年，該組織已將這項(xiàng)技術(shù)轉(zhuǎn)讓給了SkyWater，這家代工廠計(jì)劃在200mm晶圓上使用90nm制程工藝制造器件。3DSoC架構(gòu)包括多層碳納米管晶體管。它們采用n型和p型制造，以制造CMOS晶體管技術(shù)。這可以與ReRAM存儲(chǔ)器的其他層結(jié)合。
在晶圓廠中，使用沉積工藝形成碳納米管。挑戰(zhàn)在于納米管在此過程中易于發(fā)生變化和錯(cuò)位，具體包括三個(gè)方面：首先是碳納米管的純度。原材料中的碳納米管有很多可變性。該計(jì)劃的一部分是提高原材料的純度，以獲得具有高純度的單壁半導(dǎo)體碳納米管；第二和第三個(gè)挑戰(zhàn)與作為晶體管的集成有關(guān)。即晶體管性能的可變性和穩(wěn)定性。
新材料需要新設(shè)備和工具
以上這些新興的存儲(chǔ)器類型中有許多都需要新的材料和工藝，從而推動(dòng)了標(biāo)準(zhǔn)CMOS邏輯工廠對(duì)新設(shè)備和工具的需求。這些變化將為資本和設(shè)備供應(yīng)商創(chuàng)造機(jī)會(huì)。為了應(yīng)對(duì)這一市場(chǎng)變化，新興存儲(chǔ)器PB的發(fā)貨量將比其它傳統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)增長(zhǎng)得更快（見圖1），促使其營(yíng)收增長(zhǎng)到360億美元。
之所以會(huì)發(fā)生這種情況，很大程度上是因?yàn)檫@些新興的存儲(chǔ)器將占領(lǐng)當(dāng)今主流技術(shù)（NOR閃存，SRAM和DRAM）的既有市場(chǎng)份額。新存儲(chǔ)器將取代分立存儲(chǔ)芯片和SoC中的嵌入式存儲(chǔ)器：包括ASIC，微控制器，甚至是計(jì)算處理器中的緩存。
圖1：2018-2030年，獨(dú)立存儲(chǔ)器的年度PB出貨量顯示出穩(wěn)定的增長(zhǎng)（資料來源：Objective Analysis&Coughlin Assoc，2020年）
到2030年，3D XPoint存儲(chǔ)器收入將飆升至超過250億美元，這主要是因?yàn)樵摷夹g(shù)的售價(jià)低于它所取代的DRAM。這也解釋了為什么離散MRAM/STT-MRAM芯片收入將增長(zhǎng)到超過100億美元，或者說是2019年MRAM收入的近300倍。此外，預(yù)計(jì)電阻RAM（ReRAM）和MRAM將競(jìng)爭(zhēng)取代SoC中的大量嵌入式NOR和SRAM，從而推動(dòng)更大規(guī)模的收入增長(zhǎng)。
資本支出必須增加
半導(dǎo)體行業(yè)向新興存儲(chǔ)器的轉(zhuǎn)變將需要增加資本支出。到2030年，MRAM所需增加的制造設(shè)備支出很可能會(huì)比其2019年的總支出4400萬美元增長(zhǎng)16倍，達(dá)到近7億美元，也可能會(huì)增長(zhǎng)至13億美元（見圖2）。
圖2：2030年，MRAM資本總支出將增長(zhǎng)到將近7億美元（來源：Coughlin Associates）
競(jìng)爭(zhēng)愈加激烈
目前，尚不清楚哪種存儲(chǔ)技術(shù)將成為這場(chǎng)戰(zhàn)斗的贏家。相變存儲(chǔ)器（PCM），ReRAM，鐵電RAM（FRAM），MRAM和許多尚未成熟的技術(shù)，每種都有各自的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。目前處于競(jìng)爭(zhēng)行列的有將近100家公司，這些公司包括芯片制造商、技術(shù)許可方、晶圓代工廠和工具和設(shè)備制造商，幾乎覆蓋了半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的每個(gè)環(huán)節(jié)。它們每家都有應(yīng)對(duì)這一市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和變化的方案以及規(guī)劃。
結(jié)語
目前來看，在幾種新興的eNVM器件中，最有前途的是FeFET、PCM、STT-RAM和RRAM。而器件設(shè)計(jì)、設(shè)備和工具、材料等都可能會(huì)影響控制eNVM器件的行為。例如，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以在RRAM中控制切換機(jī)制和器件操作。
盡管尚未實(shí)現(xiàn)通用存儲(chǔ)器的夢(mèng)想，但eNVM器件可以最大程度地減少存儲(chǔ)和內(nèi)存之間的性能差距。與eNVM技術(shù)相關(guān)的挑戰(zhàn)包括單元級(jí)別和器件級(jí)別的可靠性、可變性、良率、高度平滑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。
eNVM提供了替換基準(zhǔn)內(nèi)存，發(fā)揮SCM作用，研究新穎的體系結(jié)構(gòu)，研究受大腦啟發(fā)的計(jì)算系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)硬件安全系統(tǒng)。低功耗eNVM對(duì)傳感器和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也很有用。不過，在現(xiàn)階段，設(shè)計(jì)高產(chǎn)量eNVM器件仍然面臨許多挑戰(zhàn)，例如制造工藝、材料以及針對(duì)不同類型應(yīng)用的優(yōu)化操作等。
