原标题：低功耗应用，代工厂关注新兴存储器

　　尽管存在机遇，但对于大多数新兴记忆来说，更高的密度仍然是一个挑战。

　　新兴存储器正在进入一个新阶段，但没有一个备受瞩目的相变存储器(PCM)，这是前几年该细分市场增长的原因。

　　英特尔宣布正在关闭其基于PCM的3D XPoint技术Optane，就像分析师Thomas Coughlin和Jim Handy正在包装他们的年度报告一样，这意味着在最后一刻对”新兴记忆进入下一阶段."

　　客观分析的吉姆·汉迪

　　“Optane正在淘汰，我们在报告中仍然有很大的Optane部分，”Handy在接受EE Times采访时说。

　　如果没有Optane，Coughlin Associates和Handy's Objective Analysis的年度联合报告的主旨是，新兴存储器的下一阶段是主要的代工厂 - 包括三星，台积电和GlobalFoundries - 出货具有电阻式随机存取存储器(ReRAM)或磁阻RAM(MRAM)的生产部件。

　　“这就是我们预计大部分业务的来源，”Handy说，并补充说，他的嵌入式新兴存储器增长将来自ReRAM和MRAM被放置在微控制器(MCU)，ASIC甚至现场可编程门阵列(FPGA)等设备中。“而且它主要是作为NOR闪存的替代品。

　　NOR闪存已经达到了极限，因为它在28纳米以下的工艺技术下不合作，这使得用新兴存储器取代它成为唾手可得的成果。低功耗应用也非常适合许多新兴存储器。

　　铁电RAM(FRAM)是新兴存储器的一个很好的例子，它满足了低密度的利基需求——它的耐辐射性是英飞凌科技将其投入太空的原因。今年早些时候，英飞凌宣布推出2MB串行外设接口FRAM，该公司声称这是 航天工业首款抗辐射(抗辐射)FRAM.除了耐辐射性外，FRAM在操作过程中的低能耗使其成为太空的理想选择，因为功率是宝贵的，并且与非易失性E相比，它还具有出色的写入能力2PROM 和串行 NOR 闪存设备。

　　FRAM提供汽车、外太空的可靠性

　　最近，英飞凌推出了8MB和16 Mb Excelon F-RAM存储器，旨在满足下一代汽车和工业系统的非易失性数据记录要求，这些系统与外层空间一样，是恶劣的工作环境，需要额外的保护来帮助防止数据丢失。英飞凌汽车事业部RAM产品线负责人Ramesh Chettuvetty在接受EE Times采访时表示，这些最新的FRAM提供了业内最高的密度，这对于满足自动化程度的提高和连接传感器快速增长推动的数据记录要求是必要的。

　　英飞凌的Excelon F-RAM存储器可满足汽车和工业系统的非易失性数据记录要求，这些系统与外层空间一样，是恶劣的工作环境，需要额外的保护来帮助防止数据丢失。(资料来源：英飞凌科技集团)

　　英飞凌对FRAM的投资可以追溯到很久以前，部分原因是赛普拉斯科技的同化。除了低功耗和辐射耐受性外，Chettuvetty表示，新兴存储器的吸引力在于它在传输数据时的可靠性，这使其成为汽车等行业关键任务数据记录的理想选择，这是一个严格的要求。他说，FRAM是现有NOR闪存的理想替代品，后者很快就会磨损，但是在数据记录要求不是关键任务的情况下，闪存仍然是首选，因为它更便宜。

　　无论可靠性要求如何，即使日志记录生成的数据量正在增加，低密度 FRAM 的市场也很小。但是，如果空间是最后的边界，那么高密度就是FRAM的下一个边界。

　　“现有技术肯定存在某种密度限制，”Chettuvetty说。他无法详细说明，但英飞凌正在探索如何通过观察不同的材料将FRAM的密度扩展到16 Mb以上。

　　FRAM已经持续了近四十年，因为它的非易失性和低功耗，这是由于与其他存储器相比，其开关能量较低。正如Coughlin/Handy报告所指出的那样，新兴内存的销量似乎超过了所有其他新兴内存类型的总和。利用FRAM低写入能量的一个应用是富士通制造的地铁票价卡的RFID芯片：每笔交易都由从调查无线电信号收集的能量供电。

　　FRAM面临的挑战是，由于铅和铋的材料问题，历史上很难与标准CMOS工艺集成，因此它在较小的工艺中无法很好地扩展 - 能够与现有的CMOS工艺集成 实现 3D 是可扩展性的关键.今天，三种类型的FRAM电池的开发工作仍在继续：基于电容器的FRAM，铁电场效应晶体管(FeFET)和铁电隧道结。报告指出，在过去十年中，新的无铅和无铋材料重新激发了对FRAM的热情，包括氧化铪。

　　德国德累斯顿的铁电存储器公司(FMC)正在以NAMLABS于2011年发表的氧化铪研究为基础，以克服FRAM的局限性。氧化铪可以充当几乎所有高κ金属栅极(HKMG)工艺节点的栅极绝缘体，从而可以采用标准HKMG晶体管并将其栅极绝缘体修改为铁电体，以创建非易失性HKMG晶体管 - FeFET。

　　FRAM和ReRAM都有类似的成功和挑战。两者都是耐辐射的，并且在较小的密度下取得了一些成功，但ReRAM也在努力扩大密度并作为离散存储器商业化。Weebit Nano可以说是最活跃和最引人注目的ReRAM公司，其主要重点是为其分立氧化硅ReRAM开发必要的选择器技术。

　　ReRAM旨在通过选择器的进步打破障碍

　　这家以色列公司完成了其研发合作伙伴CEA-Leti制造的ReRAM模块的全面技术认证，该模块在Weebit的进步中发挥了关键作用。Weebit营销副总裁Eran Briman表示，该认证是根据JEDEC非易失性存储器(NVM)行业标准进行的，并确认了Weebit嵌入式技术适用于批量生产。其ReRAM演示芯片包括一个用于嵌入式应用的完整子系统，包括Weebit ReRAM模块、RISC-V MCU、系统接口、存储器和外设。

　　今年早些时候，Weebit Nano演示了如何将其初始ReRAM模块集成到一个完整的子系统中，包括RISC-V MCU、系统接口、静态随机存取存储器和外设。(来源：Weebit Nano)

　　与此同时，Weebit的嵌入式ReRAM模块已从SkyWater的美国生产工厂交付给Weebit，这是Weebit ReRAM的硅晶圆首次从生产工厂接收，并表明其ReRAM可以使用标准工具和成熟的工艺流程制造，使其更容易用于客户的片上系统(SoC)设计。

　　布里曼在接受EE Times采访时表示，Skywater的交付是一个重要的里程碑：它和资格是在选择器方面取得进展之后进行的。该公司最近与CEA-Leti一起展示了其ReRAM选择器如何使用标准材料和工具实现分立芯片所需的高密度，同时还能够将嵌入式应用适应更高的NVM密度，以用于未来的SoC。他说，这意味着选择器可以集成到台积电等代工厂的嵌入式设备中。“这非常重要，因为这意味着我们可以缩小这些内存阵列的大小。

　　Weebit的嵌入式ReRAM模块已从SkyWater的美国生产晶圆厂交付给该公司，表明其ReRAM可以使用标准工具和成熟的工艺流程制造。(来源：Weebit Nano)

　　微调选择器至关重要，因为它确保只有应该访问的特定单元格实际访问，并且所有其他单元格都断开连接且不受影响。嵌入式ReRAM设计传统上使用晶体管作为选择器器件，但它们增加了存储位的单元面积，并且无法支持分立芯片所需的高密度。进一步开发ReRAM的其他方法包括3D堆叠ReRAM交叉点结构和技术，可以提高每个芯片的位容量并最大限度地降低成本。

　　Weebit两年前开始加大其分立式ReRAM的开发力度，当时这是由潜在客户的迫切需求以及分立式ReRAM在遇到扩展挑战时成为NOR闪存替代品的现实机会推动的。 正如首席执行官Coby Hanoch此前告诉EE Times的那样，计划是嵌入式ReRAM收入将为包括选择器在内的离散方面的进步提供资金，而神经形态计算应用的投资机会是一个长期的机会。

　　Briman说，与英飞凌的FRAM一样，Weebit的ReRAM是工业级的，适用于恶劣的环境，包括汽车和航空航天，特别是在闪存无法处理辐射的地方。“我们对辐射非常强大;我们在高温下非常坚固。

　　他说，Yole集团发表的其他研究预计嵌入式ReRAM市场将在五年内达到10亿美元大关，代工厂，晶圆厂和IDM对此非常感兴趣。

　　Weebit Nano的Eran Briman

　　Briman表示，ReRAM面临的主要挑战是继续缩小到较低的工艺节点。Weebit即将推出22纳米和8Mb内存模块，“我们已经在研究更先进的工艺节点。但他说，每个节点都有自己的认证希望，并确保可靠性和耐用性，同时在缩小规模时保持存储单元上的电流和电压，因此未来存在许多技术挑战。“从具有较小存储器阵列的嵌入式市场开始，是进入这个市场的更好入口。嵌入式领域有足够大的市场机会。

　　除了Weebit之外，目前还有一些ReRAM设备可用于特殊应用，根据Coughlin/Handy的报告。CrossBar已经对其代工合作伙伴中芯国际制造的40纳米ReRAM进行了采样，Microsemi和Microchip授权其技术。该公司最近一直专注于将其技术应用于硬件安全应用，其形式为 基于 ReRAM 的加密物理不可克隆功能密钥 可以在安全计算应用程序中生成。这些密钥并不新鲜，但由于网上银行和物联网的出现而受到越来越多的关注，这为银行卡或支付终端等专用电子设备创造了数字安全之外的机会。

　　Coughlin/Handy报告中提到的ReRAM的其他应用包括人工智能。与 PCM 一起，它非常适合在通常称为神经网络的架构中存储线性加权配置，神经网络是一种非常简化的推理引擎，可以在很短的时间内以低精度执行大量数学运算。

　　MRAM 实现更高的密度

　　与FRAM和ReRAM不同，MRAM在扩展和提供作为离散和嵌入式存储器的显着密度方面取得了更多进展，它有多种形式，九种中有两种通常被视为存储器产品：切换模式和自旋传递扭矩(STT)。切换 MRAM 正在成为替代 SRAM 的持久存储器标准，并用于运输、航空航天、企业、医疗、物联网和工业应用。

　　随着STT-MRAM密度的扩大，它正日益成为数据中心应用的通用存储器，因为与Toggle相比，它可以获得更高的密度，低功耗和更低的成本。Everspin Technologies拥有分立式和嵌入式存储设备的产品线。最近，该公司推出了EMxxLX STT-MRAM器件，这些器件设计用于数据持久性和完整性、低功耗、低延迟和安全性至关重要的电子系统，例如工业物联网、网络/企业基础设施、过程自动化和控制、航空/航空电子、医疗、游戏和FPGA配置。

　　在接受EE Times采访时，总裁兼首席执行官Sanjeev Aggarwal表示，其最新的MRAM可以取代高密度的NOR闪存。对于Everspin来说，将分立式MRAM产品推向市场比嵌入式产品更快。对于后者，它与GlobalFoundries等铸造合作伙伴进行了大量合作。虽然 Toggle 和 STT MRAM 在温度范围、速度和数据保留方面都适用于工业应用，但“STT MRAM 使我们能够将 MRAM 从低密度扩展到高密度，”Aggarwal 说。当它流向较小的节点时，它也需要更少的电流。

　　Everspin Technologies的Sanjeev Aggarwal

　　他说，Everspin已经为数据中心应用提供DDR接口MRAM近五年，并扩大了其SRAM替代市场份额。MRAM要替换的另一个候选对象是NOR闪存。与其他新兴记忆相比，它的优势之一是它不需要进行任何擦除。“对于电阻式存储器，需要一个擦除命令，导致更长的延迟和更高的功率，”Aggarwal说。他补充说，另一个市场机会是在FPGA中，它也采用NOR闪存。

　　尽管MRAM有很多机会，但Aggarwal并不幻想它可以完全取代DRAM，包括低功耗DRAM或NAND闪存。“我认为从成本的角度来看，我们永远不会有竞争力，但我们能做的是充当相邻的记忆。作为相邻的记忆，STT MRAM仍然有相当大的腿。

　　他说，计算快速链接(CXL)接口可以促进邻接，该接口旨在优化内存资源的使用，以便将正确的内存用于正确的工作负载，同时最大限度地减少数据必须传输的距离。“CXL所做的是允许您在设备端处理具有不同延迟的内存。从这个意义上说，CXL 是 MRAM 可以使用的东西。

　　Coughlin/Handy报告指出，MRAM的主要优点是它需要的口罩更少，从而降低了生产复杂性。由于PCM尚未成为一种可行的代工技术，而ReRAM在很大程度上仍处于研发阶段，嵌入式MRAM似乎是用于数据和代码存储的嵌入式NOR闪存的合理替代品。它还具有抗辐射性，使其可用于空间硬化应用。Everspin最近与QuickLogic Corporation签署了一份提供MRAM技术，设计和后端制造服务的合同。他们将共同开发和展示战略性抗辐射、高可靠性FPGA技术，以支持已确定和未来的国防部(DoD)战略和空间系统需求。

　　除了Everspin之外，其他著名的MRAM开发商还包括Avalanche Technology，该公司多年来一直在开发自己的垂直STT MRAM版本，主要专注于军用级产品，而三星则为其嵌入式产品制定了广泛的MRAM开发计划。2022年初，该公司展示了一种内存计算MRAM芯片，可处理存储的数据并用于人脸检测;三星的芯片将计算元素添加到 64 × 64 单元的 MRAM 设备交叉阵列中，以加速 AI 任务。

　　近年来另一个备受瞩目的新兴存储器是PCM，但其在市场上的预期增长完全依赖于美光和英特尔联合开发的3D XPoint技术。与美光 退出了那个市场 2021 年 3 月，产品开发很少，英特尔 封存其傲腾固态硬盘和内存 在 2022 年夏天，经过一些认真的开发投资和营销，Handy想知道英特尔是否会为他们花费“大量资金”的技术找到一个家。Optane没有成功，所以他怀疑有人会再追逐它，但如果英特尔出售专利或工程师接管经营一家可以做的独立公司，他不会感到惊讶。 用于其他应用的 PCM.

　　英特尔傲腾代表了迄今为止唯一商业化的PCRAM，该公司已将其定位为3D NAND固态盘上方和DRAM以下存储层次结构中的另一层。(来源：英特尔公司)

　　总体而言，Handy表示，有些利基市场需要针对特定属性的新兴内存， 如耐辐射性.“人们现在真正重视新兴存储器技术的地方是功耗敏感型应用，所以这将是该技术立足的好地方。但最终，他说，新兴记忆仍然面临着长期的“先有鸡还是先有蛋”的挑战，即使它们有可能解决更高密度的问题。

　　“如果你采用更严格的工艺，你可以达到更高的密度，但采用更严格的工艺需要花钱。你必须有一个数量市场来保证去那里，这就是阻碍任何这些技术的东西。