业界评析：新一代存储器件的进展及商用化前景

尽管SRAM、DRAM和闪存等存储器件在独立市场和嵌入式市场都有很好的发展蓝图，但是其它一些仍处于不同发展阶段的新兴存储技术也在孕育各自的市场。

例如，Ramtron International公司的铁电随机存取内存(FRAM)已批量生产，而其它公司的产品则接近商业化。除了FRAM以外，还有多得令人眼花缭乱的多种存储技术，有些仍然处于基本的研究阶段，它们的目标都是要把设计规范缩小至埃米的量级。这些技术中包括磁阻结构RAM(MRAM)、相变RAM(PRAM)、纳米线和纳米管设计以及分子存储。

但是，对于上述的任何技术来说，要想成就一番气候，可能都得追随Ramtron公司的脚步，寻找一个自己可以在其中有所收获的利基市场，同时维持长期研发，以便有朝一日与DRAM和闪存并驾齐驱。

“如果往后看五年，更有创造力的，或更神奇的，或者更有前途的技术将有时间证明自己的能力，并开始在主流市场中现身。”美国加州Denali Software公司的分析师Lane Mason表示，该公司是存储架构的IP供应商。“现在，FRAM和PRAM正在被某些应用所采用，但它们的市场规模非常有限，根本无法企及硅片目前所占据的主流地位。”他指出。

FRAM商用前景初显

FRAM使用铁电晶体材料—通常是氧化物—可以不需外界电场就能永久地改变电偶极矩(衡量极性分子极性角度的一个指标)。因此，它们是非易失性的。大量铁电材料同时形成纳米级的偶极子，在实验室中可以利用电场在直径只有几个纳米的区域中进行转换，这些区域被称为量子点。Celis半导体、Hynix、Macronix、英飞凌、Ramtron、三星电子、三洋、德州仪器和东芝一直在对FRAM加以研究。

从理论上来看，FRAM利用量子点作为单元，有达到难以置信的密度的潜力。例如，美国阿肯色大学教授Huaxiang Fu和Laurent Bellaiche最近报告的模拟结果显示，5纳米的铁电量子点形成小型磁旋涡，可以“分拆”以代表位(bit)。

“我们正在大批量生产，我们每个季度的出货量达几百万个，但我们的诉求是闪存并不能满足的一些应用。”Ramtron公司的副总裁Mike Alwais表示，“这些新型技术在生产过程中面临的挑战被低估了，实际上比看起来困难得多。”

为了生存，Ramtron找到了一个市场利基以维持研发工作。目前，它的大量产品直接用于补充到仪表等数据采集设备，这些设备现在一般使用具有电池后备的SRAM。Ramtron公司的最新产品是1Mbit FRAM，可以直接代替尺寸差不多的SRAM。该器件的线宽已降至0.13微米，计划今年生产样品；90纳米的产品已经设计完毕，65纳米的产品正在设计之中。

该公司对于FRAM取得长期成功仍然寄予厚望，即使面临强大的闪存阵营。“在先进节点上，如65纳米和更小的节点上，我们的客户认为FRAM比闪存具有更大的机会缩小尺寸，因为我们不需要非常薄的氧化物或者高电压。”Alwais表示。

德州仪器已从Ramtron获得FRAM技术授权，以降低非易失性嵌入式内存的成本。例如，FRAM仅需要在嵌入式芯片上增加两个额外的光罩，而嵌入式闪存则多达九个。目前，Ramtron以富士通作为它的代工厂商，但德州仪器将很快生产采用Ramtron技术的FRAM。它们正在共同开发一种独立式4Mbit FRAM，采用0.13微米设计规范，德州仪器将把它作为其DSP的核心，而Ramtron将把它作为单独的芯片销售。计划在今年稍晚的时候生产样品。

“嵌入式FRAM在需要低功耗非易失性内存的地方很有用处。”德州仪器的FRAM项目经理Ted Moise表示，“与现有产品相比，它以更加简单的方式嵌入，而且具有更好的性能。”嵌入式闪存的问题是需要额外的电路开销来驱动18V编程脉冲，用于写入或擦除位单元。但是TI预计，在2006年末或2007年以前，不会把FRAM加入到它的任何嵌入式芯片之中。

下一个商用化的是什么？

在FRAM之后，最有希望的是MRAM，它能在磁隧道接合中存储一个位。它是一种夹心结构，包括一个铰接磁层、一个氧化物隧道层和一个自由磁层。两个金属电极使自由层在两个磁极化状态之间转换，读出操作是通过感应电阻的变化来实现的。

Altis半导体(IBM与英飞凌组成的联盟)、飞思卡尔、NEC/东芝、三星和索尼对MRAM进行了多年的研究。其中有些公司宣布了成功的实验性芯片，容量达128 kbits，赛普拉斯半导体报告的容量达256 kbits。但赛普拉斯最近表示，它将分拆子公司Silicon Magnetic Systems，最初成立该子公司的目的是对MRAM进行商业化。

NVE公司正在步赛普拉斯的后辙。该公司最近表示，已中止研发和销售独立的MRAM器件，而仅销售其256-kbit MRAM知识产权。“MRAM具有很快的读/写速度，以及很高的容量，现在你可以在许多制造商的库中得到MRAM。” Denali公司的Mason表示，“MRAM的问题一直是寿命、耐久性和再生产能力。”

Mason表示，他对于最近赛普拉斯退出MRAM竞赛感到非常失望。对于MRAM和FRAM， 产业在硅片方面积累的大量知识是可以借用的，因此二者之间不一定是对立关系。但是，他并不认为MRAM会成为路线图中的领头羊，并建立可与DRAM或闪存比肩的市场地位。

飞思卡尔半导体目前正在生产4Mbit MRAM的样品，采用90纳米工艺。它称该芯片满足它的全部实验，客户最快将在2006年可以选择它。“我们正在生产样品，参数表上的各项指标都很好。”该公司MRAM技术主管Saied Tehrani表示，“我们有35毫微秒的读/写周期，无限的耐久力。它比闪存快，但不如它的密度大。更加容易集成(因为在整个工艺结束时只使用五个额外的光罩)，因此不必象闪存那样在晶体管层面上进行重新设计。在用户的设计中其它所有核心技术都保持不变，而且工作方式不变。”

飞思卡尔目前在验证其4-Mbit MRAM样品，它运行在一个标准的CMOS线上，以确保满足长期质量目标。Tehrani表示，“我们还在设计一种磁屏蔽加在裸片之上，使MRAM中的内容不会被外界磁场抹掉。然后我们达到了具有竞争力的成本点。”

从长期来看，飞思卡尔认为MRAM可以在先进的节点上挑战闪存。他们在VLSI论坛上展示了第一款90纳米芯片，证明MRAM可以比闪存更容易地达到更小的节点。Tehrani表示：“我们的数据将会表明，能够把位单元缩小至65纳米节点，而且可能缩小至更小的水平。”

据飞思卡尔称，MRAM面临的最大障碍是它需要大量的电流来转换单元的磁极化。因此，写入时需要特别大的驱动器晶体管。尚未解决的问题之一是缩小这个驱动器晶体管的尺寸。

PRAM也在前进

相变内存(PRAM)从技术角度看，类似于可写入DVD，它也被称为奥弗辛斯基效应内存或硫族内存，在商业潜力方面可能仅次于MRAM。一些电子巨头已向PRAM技术投入研发资金，包括Elpida、英特尔、飞利浦、三星和意法半导体。

PRAM通常使用掺杂锑、锗或碲的硫族化物。通过探测电阻的变化来对单元进行读出操作。英特尔、意法半导体和Elpida等公司一直在研究用于非易失性存储的相变材料，这些公司都从Ovonyx Inc.得到了授权技术。该技术使用碲化锑和碲化锗硫族合金。

迄今为止，PRAM的合格率和可靠性仍然低于FRAM和MRAM，但随着三星电子、英特尔和飞利浦为解决该问题而投入大笔研发经费，可能会找到解决这些问题的方法。三星电子已经展示了一种“差分”PRAM结构，通过一个晶体和一个非晶体单元的组合来代表每个位，提高了可靠性。台湾旺宏电子股份有限公司展示了PRAM和相关的电阻RAM(RRAM)，而德国英飞凌则展示了实验性的有机RRAM。

更多未来的存储技术

除以上的三种产品外，人们正在研究亚纳米级的特点，其尺寸要用埃来衡量。这方面将出现的产品包括利用纳米线制成的晶体管通道、具有自生纳米管晶体管通道的内存、纳米级微机电系统(MEMS)和具有单分子 (埃尺度)晶体管单元的存储技术等。

今年的一项突破是利用纳米管作为晶体管通道。Case Western的教授Massood Tabib-Azar展示了如何在硅芯片上，在照相平版印刷形成的电极之间生长出碳纳米管，这种具备纳米管特点的晶圆可以运行在标准的CMOS线上。

IBM和许多其它组织以前利用纳米管和纳米线晶体管作过实验，表明它们具有较高的电子迁移性，甚至最先进的硅晶体管设计也自叹弗如。IBM展示了一种只有10埃宽的纳米管晶体管，尺寸是目前的硅晶体管的500分之一。

IBM还展示了MEMS内存技术，其于此开发出一种兆兆位存储器原型，可以在一平方英寸上存储一万亿位的数据。诺贝尔奖得主Gerd Beinnig预测，IBM在机械存储器方面采取的纳米级方法，有望在未来10年内把存储密度提高近1000倍，得到15-Gbyte的芯片。

在更小的尺度上，有些实验室正在研究分子存储。例如，初创公司ZettaCore正致力于研究美国北卡罗来纳州教授Jonathan Lindsey发明的分子存储。该公司最近展示的分子存储的电荷保持时间比DRAM长几个数量级，单个分子可以经受硅制造过程中的极高温度(400°C)，而且分子存储可以进行多达万亿次的读写操作。ZettaCore目前在设计一种电子分子，计划向半导体产业推出，作为未来埃米水平的存储设计中的元件。