本文來自微信公眾號“半導(dǎo)體行業(yè)觀察”，內(nèi)容由半導(dǎo)體行業(yè)觀察（ID：icbank）編譯自eetasia，謝謝。
在過去的幾年里，我們看到全球?qū)ρ邪l(fā)和生產(chǎn)的大量投資，世界各國政府通過直接投資和企業(yè)激勵措施對這一領(lǐng)域給予了前所未有的關(guān)注。世界經(jīng)濟顯然將半導(dǎo)體視為一個具有越來越重要戰(zhàn)略意義的領(lǐng)域。
盡管經(jīng)濟逆風，但到2023年，我們將看到公共和私人來源對半導(dǎo)體研究和生產(chǎn)的持續(xù)投資。SEMI報告稱，2020年、2021年和2022年總共有57座新晶圓廠開工建設(shè)。這些投資需要時間才能成熟為實際的晶圓廠產(chǎn)能，但我們已經(jīng)開始看到一些最早的投資取得成果。對于為高級片上系統(tǒng)(SoC)提供技術(shù)的公司來說，所有這些投資都是一個機會，例如EDA、設(shè)備和嵌入式技術(shù)，以及類似ReRAM這樣的非易失性存儲器(NVM)IP。
到2023年，我們還將看到電源管理IC(PMIC)、音頻放大器IC和其他用于消費、汽車、工業(yè)、電信和醫(yī)療應(yīng)用的高壓設(shè)計等領(lǐng)域的功能集成度加快。從歷史上看，與數(shù)字設(shè)計（如130納米和180納米）相比，此類模擬/混合信號設(shè)計采用更成熟的工藝幾何形狀制造，但不斷增加的功率和成本壓力意味著其中一些設(shè)計正在轉(zhuǎn)向更先進的節(jié)點，從而有可能進一步集成邏輯和內(nèi)存。通過在65nm-40nm雙極-CMOS-DMOS(BCD)工藝中將高壓器件與邏輯門和NVM集成到單個芯片上，設(shè)計人員可以降低功耗并提高性能。
用于汽車、電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、智能卡等應(yīng)用的微控制器中的系統(tǒng)集成也在加速。這些MCU必須支持日益復(fù)雜的編程，同時還要將成本和功耗保持在最低水平。通過在片上集成更多資源并消除外部存儲器組件，設(shè)計人員可以降低成本和功耗并提高系統(tǒng)速度和安全性。隨著這些設(shè)計向更小的工藝節(jié)點（最終為28納米和22納米）擴展，這些設(shè)備的NVM必須能夠與其他片上組件一起擴展，同時提供所需的性能、功率和成本。
然而，對于大多數(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)濟上并不可行。即使采用3D堆疊、高級封裝和小芯片架構(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節(jié)點上尋找NVM替代方案。
電阻RAM(ReRAM)、相變存儲器(PCM)、磁阻RAM(MRAM)和鐵電RAM(FRAM)等新興NVM提供了替代方案。與閃存相比，這些技術(shù)中的每一種都可以更輕松地擴展到高級幾何結(jié)構(gòu)，但每一種技術(shù)也都有其優(yōu)點和缺點。在考慮成本、復(fù)雜性、功耗、性能和其他參數(shù)時，ReRAM為各種應(yīng)用提供了最佳平衡。
對于沒有傳統(tǒng)閃存技術(shù)的新晶圓廠，向新NVM技術(shù)的過渡相當簡單，尤其是當NVM像ReRAM一樣集成在生產(chǎn)線后端(BEOL)時。因為它是在BEOL集成的，所以每個工藝節(jié)點可以采用一次ReRAM，然后它將適用于所有節(jié)點的變體。相比之下，閃存集成在前端(FEOL)，因此它必須適應(yīng)節(jié)點的每個變體。這種FEOL集成還意味著使用閃存的公司必須經(jīng)常進行設(shè)計權(quán)衡，這可能會損害FEOL中集成的其他模擬組件，從而導(dǎo)致整體性能下降、尺寸增大和成本增加。在使用像ReRAM這樣的BEOL NVM進行設(shè)計時，這些權(quán)衡不是一個因素。
2023年，我們將看到ReRAM技術(shù)開始進入主流。臺積電和英飛凌等公司已宣布將ReRAM推向汽車市場，其他晶圓廠也開始在其IP庫中采用ReRAM。
為什么新興存儲還沒取得成功？
7月28日，也就是自首次推出3D XPoint內(nèi)存技術(shù)七年后的一天，英特爾透露，公司將“關(guān)閉”其Optane內(nèi)存業(yè)務(wù)。
在3D XPoint推出時，英特爾稱其為自1988年公司推出閃存以來的第一個新內(nèi)存技術(shù)。為什么這項技術(shù)以及許多其他有前途的內(nèi)存技術(shù)未能成功占領(lǐng)成熟技術(shù)的市場？
Optane是相變存儲器(PCM)的一種變體，其出貨量遠高于FRAM、MRAM和ReRAM等其他技術(shù)，2020年的年收入達到3.92億美元，但最終從未盈利，這就是英特爾退出這項業(yè)務(wù)的原因。
讓我們看看我們目前正在討論的技術(shù)。雖然遠不止這四種，但成熟度和市場份額的領(lǐng)先者是PCM、MRAM、FRAM和ReRAM。
目前占主導(dǎo)地位的存儲器技術(shù)有：DRAM、NAND閃存、NOR閃存、SRAM和EEPROM，除SRAM外，所有技術(shù)都是基于電荷的。SRAM基于觸發(fā)器電路，需要多個晶體管，通常是六個。雖然這使得該技術(shù)速度快，并且對隨機位翻轉(zhuǎn)不那么敏感，但它也使得它比幾乎完全基于單晶體管位單元的其他技術(shù)成本高得多。
使用基于電荷的存儲器，它們將位的狀態(tài)存儲為電容器板上的電子集合。奇怪的是，以下技術(shù)都沒有做到這一點。此外，以下每一項技術(shù)都是非易失性的，但它們不需要閃存或EEPROM典型的極長寫入周期。它們在技術(shù)上都優(yōu)于已建立的技術(shù)，并有望擴展到比今天的記憶所能支持的更精細的工藝技術(shù)。
PCM
由于在英特爾的Optane產(chǎn)品中的使用，相變內(nèi)存（PCM或PRAM）已成為新興內(nèi)存技術(shù)中遙遙領(lǐng)先的收入領(lǐng)導(dǎo)者。STMicroelectronics還生產(chǎn)帶有PCM程序存儲的微控制器(MCU)，三星、美光和英特爾都在十多年前量產(chǎn)了PCM NOR閃存替代品，它們的壽命很短。
PCM基于沉積在標準CMOS邏輯芯片上方的硫?qū)倩锊ＡР牧希撔酒鶕?jù)玻璃的特性改變其狀態(tài)。在PCM中，玻璃從晶態(tài)變?yōu)榉蔷B(tài)，從而變?yōu)閷?dǎo)電或電阻。英特爾曾表示3D XPoint的行為有所不同，但并未透露更多信息。
PCM可以建立在crosspoint配置中，其中一個位可以存儲在兩條正交導(dǎo)線的交叉處。這適用于堆疊，這將使其裸片尺寸和生產(chǎn)成本低于除3D NAND之外的任何現(xiàn)有技術(shù)。該技術(shù)的研發(fā)歷史悠久：英特爾的Gordon Moore在1970年與當時都在Energy Conversion Devices Inc.工作的Ron Neale和DL Nelson共同撰寫了一篇關(guān)于256位PCM原型的文章。
MRAM
磁性RAM(MRAM)是一種基于所有磁性記錄（HDD、磁帶等）中使用的物理原理的技術(shù)，但應(yīng)用的方式是去除機械元件——芯片內(nèi)沒有任何移動。Everspin公司的產(chǎn)品源于摩托羅拉（當時的飛思卡爾）的研究，他們在2021年收入4400萬美元，是該領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，Avalanche和Numem最近也加入了競爭。代工廠臺積電、格羅方德和三星提供嵌入式MRAM工藝，這些工藝開始在為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和低功耗設(shè)備設(shè)計的SoC中使用。
MRAM的種類幾乎數(shù)不勝數(shù)：Toggle、STT、SOT、OST……，但它們在結(jié)構(gòu)上都非常相似，使用鈷和鎂層作為巨磁阻(GMR)傳感器和磁開關(guān)元件。所有材料都在半導(dǎo)體生產(chǎn)環(huán)境中得到充分了解，大量用于HDD讀/寫磁頭。
在MRAM中，數(shù)據(jù)通常存儲在“自由”層中，其磁性可以改變，與制造時設(shè)置的“固定”層進行比較。GMR傳感器檢測兩者之間的差異。大多數(shù)MRAM變體之間的最大區(qū)別在于數(shù)據(jù)寫入它們的方式。每個位單元都使用至少一個晶體管，而許多有兩個，并且電流相當大，使得該技術(shù)的生產(chǎn)成本效益低于其他技術(shù)。它的主要優(yōu)勢是速度。倡導(dǎo)者設(shè)想未來MRAM將取代高速SRAM。
FRAM
鐵電RAM（FRAM或FeRAM）是最古老的新興存儲器，因為FRAM芯片自1955年就出現(xiàn)了，比IC發(fā)明早了三年！FRAM技術(shù)還具有成為單位體積領(lǐng)先者的區(qū)別，在其歷史上已包含在超過40億個芯片中。如今，英飛凌生產(chǎn)分立式FRAM芯片，而TI和富士通則將該技術(shù)嵌入到MCU中。大批量出貨源于富士通在可重寫RFID卡中使用FRAM，其寫入能量來自詢問無線電信號。FRAM在這些技術(shù)中具有最低的寫入能量。
盡管有它的名字，F(xiàn)RAM不使用任何鐵——它只是有一個磁滯回線（t simply has a hysteresis loop redolent of magnetism in iron），讓人聯(lián)想到鐵中的磁性，并且該磁滯回線允許它存儲數(shù)據(jù)。從物理上講，壓電晶體中的原子從其分子的一側(cè)移動到另一側(cè)并停留在那里以表示一或零。
過去，F(xiàn)RAM一直基于兩種材料中的任何一種：鋯鈦酸鉛(PZT)和鉭酸鍶鉍(SBT)，但每種材料都包含令晶圓廠管理人員擔心的元素（鉛或鉍），因為它們很容易污染一個工廠。幸運的是，2011年發(fā)現(xiàn)氧化鉿(HfO)在某些條件下表現(xiàn)出鐵電特性。HfO是FinFET中使用的高k柵極電介質(zhì)的基礎(chǔ)，因此它已經(jīng)在大批量生產(chǎn)環(huán)境中得到了很好的理解，而且它不會污染晶圓廠。盡管如今HfO并未用于生產(chǎn)FRAM，但它具有廣闊的前景。
今天的FRAM單元有一個或兩個晶體管，將其限制為單層，使其芯片面積與DRAM相當。
ReRAM
與MRAM一樣，電阻式RAM也有多種變體（ReRAM或RRAM），它們都不是由一家以上的公司生產(chǎn)的。所有這些都是通過在標準CMOS邏輯上沉積特殊材料制造的。
ReRAM代工工藝由臺積電、華邦和Globalfoundries提供支持，ReRAM由瑞薩（通過收購Adesto）、富士通、Microchip和索尼作為獨立產(chǎn)品生產(chǎn)，而新唐則在微控制器中生產(chǎn)。許多其他公司正在開發(fā)ReRAM工藝。
在電阻式RAM單元中，電流在兩條線之間通過，以檢測位單元的電阻是高還是低。通常，通過增加正或負方向的電壓來改變電池的狀態(tài)以增加或降低電池的電阻，通常是通過將金屬離子或氧空位等導(dǎo)電元素移動到橋中，或者通過將它們從現(xiàn)有橋中移除。純粹主義者可能會爭辯說，此列表中的大多數(shù)其他技術(shù)（PCM、MRAM和FRAM）都可以歸入ReRAM類別，因為它們也使用可變電阻來指示內(nèi)存位的狀態(tài)。
ReRAM的關(guān)鍵屬性之一是，與PCM一樣，它可以內(nèi)置到交叉點單元中以進行堆疊。它也有望用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，因為它可以將線性值存儲在單個位單元上。
為什么傲騰失敗了？
Optane的失敗不是因為任何技術(shù)問題。所有這些存儲器都提供了重要的價值，因為它們都是非易失性的，并且比NAND或NOR閃存消耗的能量和寫入時間要少得多。所有這些都有望達到比任何現(xiàn)有內(nèi)存技術(shù)更精細的工藝幾何形狀，這意味著它們最終可以以更低的成本制造。但這是真正的問題——他們從未真正兌現(xiàn)過這個承諾，而且在內(nèi)存業(yè)務(wù)中，除了成本之外幾乎沒有什么問題。
沒有什么比2007-2008年手機從NOR加SRAM到NAND加DRAM的戲劇性轉(zhuǎn)變更清楚地說明這一點了。與NOR和SRAM相比，NAND和DRAM的性能吸引力要小得多，但這些技術(shù)的每GB成本差異相差幾個數(shù)量級，這足以保證找到解決方法。
成本有兩個因素。一是裸片尺寸，二是晶圓成本。在任何給定的工藝幾何結(jié)構(gòu)中，這些技術(shù)中的許多都與DRAM和NOR閃存競爭——SRAM甚至沒有在裸片尺寸競爭中表現(xiàn)出來，它的6晶體管位單元尺寸。由于NAND已經(jīng)走向3D，任何競爭技術(shù)所能做的最好的事情就是復(fù)制NAND的3D結(jié)構(gòu)以匹配其裸片尺寸，并希望能夠匹配NAND的成本，但不要超過它。
第二個因素，晶圓成本，是真正阻礙這些技術(shù)發(fā)展的因素。如果一項技術(shù)以小批量運行，其晶圓成本會變得非常高，這會阻礙該技術(shù)站穩(wěn)腳跟。請記住，除了成本之外，幾乎沒有什么問題。
根據(jù)Objective Analysis的估計，任何新技術(shù)都必須達到DRAM數(shù)量級內(nèi)的晶圓量才能匹配DRAM的成本結(jié)構(gòu)，即使新技術(shù)的裸片尺寸比它的DRAM小得多。試圖取代。（這是基于NAND閃存成本與DRAM成本的歷史，以及它們在2004年的交叉情況。）由于DRAM的產(chǎn)量約為每年450萬片晶圓，這是一個相當大的數(shù)字。據(jù)我們了解，3D XPoint晶圓產(chǎn)量達到每年約15萬片晶圓的峰值，與DRAM一樣多的晶圓。
英特爾希望通過Optane實現(xiàn)足夠高的規(guī)模以實現(xiàn)這一交叉，但其晶圓量明顯低于DRAM，結(jié)果在下圖中很明顯，該圖表繪制了Objective Analysis對英特爾自引入該技術(shù)的損失的估計從2017年到2020年。（最近幾年，英特爾停止透露足夠的信息來估計Optane的損失。）該圖表不包括美光在2019年末和2020年每季度生產(chǎn)3D XPoint晶圓的損失為100-2.5億美元。
英特爾在Optane內(nèi)存上的估計季度虧損
那么，其他新興的內(nèi)存技術(shù)又將何去何從呢？
它幾乎決定了這些技術(shù)永遠不會成為利基市場產(chǎn)品。但還有另一個領(lǐng)域絕對需要這些新興內(nèi)存技術(shù)中的一種或多種。讓我們看看。成功的潛力
正如我們在新報告《新興存儲器進入下一階段》中所解釋的那樣，越來越多的公司使用的CMOS代工邏輯無法將NOR閃存嵌入到小于28nm的工藝中，除非NOR是使用28nm或更大的工藝技術(shù)生產(chǎn)的。換句話說，芯片的邏輯部分會隨著工藝的縮小而繼續(xù)縮小，但NOR的尺寸會保持不變，這將大大減緩芯片成本的降低。SRAM似乎也是如此。在大約10nm的工藝中，SRAM的擴展速度比邏輯慢得多，盡管它并沒有像NOR那樣完全停止。
對于任何具有相當大的NOR元件的芯片，有四種方法可以解決這個問題：
1、繼續(xù)縮小邏輯，但使NOR區(qū)域保持相同大小，以降低成本。這對于閃存很少的芯片來說可能是可以接受的。
2、使用外部NOR閃存并將其內(nèi)容移入和移出內(nèi)部SRAM緩存。雖然這延遲了不可避免的問題，但這不是一個長期的解決方案，因為SRAM也將停止擴展。這也是一種能源效率低下的解決方案。
3、使用小芯片并使用NOR優(yōu)化工藝在自己的芯片上制作NOR閃存。這可能會在一段時間內(nèi)提供更便宜的NOR元件，但它很快就會達到自己的終點。
4、轉(zhuǎn)換為一種新興的內(nèi)存技術(shù)，這種解決方案似乎比上述三種具有更長遠的前景。本著這種精神，臺積電、三星和GlobalFoundries都推出了MRAM和ReRAM工藝，以支持那些尋求此類解決方案的客戶。
如果第四個選項流行起來，它將推動晶圓產(chǎn)量增加，而更高的產(chǎn)量將降低成本，從而使這些代工廠生產(chǎn)的離散存儲芯片在財務(wù)上更具吸引力，這將有助于創(chuàng)造更多的產(chǎn)量。
因此，最終，任何希望成功的新興技術(shù)都可能從邏輯過程中的嵌入式存儲器開始，這將降低生產(chǎn)成本。這些成本降低最終將變得足夠顯著，以使分立存儲芯片達到足夠低的成本結(jié)構(gòu)，從而威脅到當今領(lǐng)先的存儲技術(shù)。
