技术文章—新型非易失性存储器内部详细解读

为了挑战现有的技术，新型非易失性存储器（NVMs）寻找仍在继续，但是任何技术被接受之前，它必须被证明是可靠的。

Fujitsu高级营销经理TongSwan Pang说，“每个人都在寻找一种通用的存储器。不同的技术有不同的可靠性挑战，并不是所有的技术都能在汽车0级应用中运行。”

这些新技术中的大多数都属于存储级内存（SCM）。它们适用于大容量存储技术（如NAND 闪存）和工作存储器（如DRAM）。至少有四种非易失性存储技术在竞争，其中一些已经取得了一些商业上的成功，而且似乎没有一种技术能够以牺牲其他技术为代价成为最终的赢家。与闪存相比，这些存储器的特点是读写操作更简单、速度更快，包括字节寻址能力。此外，读写趋向于对称(或几乎对称)，与闪存形成鲜明对比。

闪存的替代品变得越来越有吸引力，特别是嵌入到系统芯片(SoCs)和微控制器(MCUs)中的存储器。在28nm以下，由于需要高电压、电荷泵和更多的掩模，闪存所增加的步骤变得更加昂贵。尽管一些公司已经突破了这一限制，但这种规模化似乎是不可持续的。内存分析师Jim Handy是Objective Analysis的总负责人，他提到NOR闪存（通常在嵌入时使用）似乎无法达到14nm。这增加了对使用系统电压以及只需要2到3个附加掩膜来嵌入的技术的要求。

三个主要的新的候选者-外加一个

对于新的NVM产品，有三个主要的竞争者，尽管在早期阶段还有更多的竞争者 (其中一些我们很快就会提到)。令人困惑的是，有些人把这三种存储器都称为“电阻式存储器”，因为它们都涉及测量电阻的变化以确定状态。

最古老的是相变存储器（PCRAM/PCM）。这是一种古老的CD技术，涉及一种硫族化物材料，该材料在一个温度下结晶，而在另一个温度下会变成非晶态。两种状态有不同的电阻。通过将存储单元升高到合适的温度来对其进行编程。这是Intel和 Micron合作Optane “crosspoint”存储器的技术。

图1: PCRAM 存储单元. 来源: 图片来自于 Cyferz 英文维基百科 

在商标中使用“crosspoint”一词可能会造成混淆，因为这些存储器中的任何一个都可以配置为crosspoint存储器。它有一个由字线（word lines）和位线（bit lines）相互正交的简单阵列-与SRAM类似，但不类似于闪存。当某些人提到crosspoint存储器时，他们专门指的是英特尔产品。其他人则更广泛地使用该术语。

下一代技术（也是最先进的一种存储技术）是磁性随机存储器（MRAM）。我们在这里的重点将是当前的MRAM技术，称为自旋转移矩技术存储器（STT-MRAM）。这涉及夹在隧道材料之间的两个可磁化层，称为磁性隧道结（MTJ）。其中一层（“固定”或“参考”层）具有固定的极性，另一层（“自由”层）的极性可以通过流过存储单元的电流来设置。隧穿电流看到的电阻取决于固定层和自由层是否具有平行或反平行磁化。 MRAM已经以各种形式出现了一段时间。

图2：MRAM存储单元。图片来源：Cyferz 维基百科（公共领域）

最后，还有阻式存储器（RRAM/ReRAM），由于它们都是阻性技术，其名称可能会造成混淆。 RRAM有两种主要的类型-一种是电极中的材料迁移以在整个电介质上形成导电丝，另一种是氧离子和空位四处迁移以形成导电通路（或不形成）。这是一个更加完全开放的类别，需要通过大量实验来找到最佳配方。

PDF Solutions（这家公司虽然不是一家存储器供应商，但可以帮助供应商进行技术鉴定和评估，为他们揭露许多必须解决的低级别问题）高级研究员Tomasz Brozek说：“RRAM吸引人的地方是，存储单元可选用的材料很丰富。”

图3：概念性RRAM存储单元状态。资料来源：Adesto

所有这些技术的挑战之一是编程机制具有一定的内在随机性，而闪存或DRAM中没有这种随机性。将值写入存储单元可能会导致错误的值。这不是存储单元本身的错。它可能会在下一次完美编程。这是必须通过纠错码（ECC）之类的伴随电路来缓解的问题。

Nantero还提供了一种更新的NVM技术，称为NRAM。这是用碳纳米管制成的（CNTs – NRAM中的N是“ 纳米管”）。可编程的碳纳米管（CNTs）形成松散的，无方向性的团块，利用温度（通过电流）或静电，它们可以越过范德华极限而使这些碳纳米管紧密结合在一起或分离得更远，从而使它们在一侧相互吸引或在另一侧互相排斥。这使编程状态稳定。在堆积在一起的状态下，碳纳米管相互接触并导电。而在分离状态下，它们不会如此。因此，电阻再次成为要读取的参数。

图 4: NRAM 存储单元. 资料来源: Nantero

由于这些技术都是新技术，因此它们没有面临闪存已经具有的多级存储单元的挑战。无论是打开还是关闭，每个单元仍然代表一个位（bit）。多级存储单元还允许使用中间值，例如，一个四级单元可以存储两位数据。最近，无论是闪存还是RRAM（都已尝试使用其他方法），都已将其应用到极致，并将它们用作模拟存储器，并且在单元中进行几乎是连续的编程。这对于使用所谓的“内存中计算”的机器学习应用程序是有益的。

由于多级和模拟用途需要更高的编程和读取精度，因此，Brozek说：“越来越多的存储器正在使用写入验证”。这种方法尝试写入内存，然后退回并读取，重复进行直到达到所需的级别。这会花费更长的时间，但会给出更精确的结果。

这些存储器中的每一个都可以制成专用的大容量芯片，也可以嵌入到SoC或MCU中。作为大容量芯片，可以量身定制该工艺，以实现最高的良率和可靠性。但是，当嵌入时，它们必须尽可能与底层CMOS技术保持一致，从而使其每比特成本更高，但仍要求高可靠性。英特尔的Optane是大容量存储器；尚不清楚该技术是否适合嵌入。 Brozek和Handy都将MRAM与NOR-flash作为嵌入式存储器进行竞争。 RRAM是Adesto提供的一种大容量技术，而作为嵌入式技术也引起了广泛的兴趣。

NVM可靠性方面的考虑

作为NVM，除了考虑适用于所有集成电路外，所有这些技术均要与闪存共同考虑可靠性。数据的保留和耐用性尤其重要。对于诸如DRAM和SRAM这样的易失性存储器，这两个都不是问题。具有讽刺意味的是，对于DRAM而言，这不是问题，是因为其数据保留时间如此之短，以至刷新电路是DRAM的基本要求，因此只要保持电源就不会造成数据丢失。通常，在这些新的NVM技术中，刷新被认为是不可取的（尽管有可能）。

数据保留率是一种规范，它指示存储器在所有条件下（存储或操作）将保持其内容多长时间。借助闪存技术，薄的电介质可以在读写条件下将电子传递到浮栅中。从理论上讲，这些电子然后被困在浮栅中，没有明显的方式泄漏出来。但是，随机电子可以通过超过能量势垒的热能或通过电介质隧穿而缓慢泄漏。如果有足够的时间，足够多的电子会泄漏出去，从而使存储单元状态退化。

每种NVM技术（新技术也不例外）都有一种逐渐泄漏数据的方式。因此，数据保留率成为存储器将保留其内容一段时间的保证。此后，它的内容可能还会保留更长时间，但不能保证。十年一直是闪存的典型规格，尽管考虑到汽车的使用寿命长，汽车应用正在逐步淘汰该要求。

数据保留率与其他基本的NVM规范耐久性有关。每次对NVM进行编程时，可能会发生一些轻微的损坏。在闪存中，这是由于电子嵌入到将浮栅与电路其余部分分开的电介质中而导致的。也可能会出现加速电子从浮栅泄漏的缺陷。耐久性是指在数据保留率低于规格之前存储器可被编程的次数。

从理论上讲，可以对给定器件进行超出其耐久性的编程，它可能会继续运行-但数据保留时间较短。但是，某些器件可能会计算编程周期，并阻止超出限制的编程。多年来，10,000个周期是闪存预期达到的极限。如今，越来越多的存储器指定了100,000个周期的标准。

这些特性需要减轻存储器外部的影响，以便最大程度地延长给定芯片的寿命。例如，如果数据集中在存储器的下半部分，则这些单元可能会耗尽，而存储器的上半部分基本上保持不变。那是对存储单元的低效使用。损耗均衡是一种在存储器外部施加的技术，它可以移动数据的位置以确保使用整个存储器，从而延长了芯片的寿命。

但是损耗均衡不是万能，Brozek指出，“你可以将损耗均衡用于大容量存储，但不能用于[嵌入式]MCU NVM”，因为它主要用于存储代码，该代码必须位于已知的固定位置。

所有这些考虑因素将适用于任何新的NVM技术。在大多数情况下，它们必须满足闪存运行的级别，并且如果可能的话，需要超过它们。如果将耐久性提高了多个数量级，则不再需要进行损耗均衡，尽管该决定不在存储器制造商的手中，而在系统设计者的控制之下。

当考虑可靠性时，Brozek说： “所有这些技术都是不理想的，您要对它们进行表征，并添加电路级工具来对其进行管理。一旦采取了缓解措施，就应该有一个抵消其内在问题的黑匣子。”

温度等级

温度越高，任何磨损机制都将越明显。数据保留和耐久性规格假定高温是恒定的，这意味着偶尔出现高温且有间歇期的器件可能持续时间会更长。但是，没有实际的方法来指定这种变化的温度曲线，因此数据表指定了最坏的情况。

但是“高温”是什么意思？多年来，有两种级别的集成电路：商业级的温度范围为0至70°C；军事级的温度范围为-55 – 125°C。这代表了两个截然不同的业务，因为军用级材料具有极其严格的要求。因此，一些公司或部门选择专注于其中一项或多项业务。在某种程度上，也出现了工业级温度范围为-40 – 85°C的产品。尽管工业级产品的生产不像军用级产品那样困难，但它们仍倾向于将其应用领域与使用商业级IC的设备区分开来。

随着汽车市场的出现，这种情况发生了变化，可以说它需要以商业水平的价格获得军事水平的坚固性。然而，实际上，并非车辆中的所有组件都必须在发动机附近的温度下运行。因此，目前在汽车内使用五个温度等级。这是一个根本性的变化，因为所有这些等级都可以在同一设备中找到。

图5：汽车温度等级。温度是环境温度。数字来源：AEC Q100标准

KLA产品市场经理Meng Zhu表示：“由于电子的热能变化，温度通常是影响电子器件的重要因素。”对于诸如MCU或高速缓存之类的MRAM应用，通常要求工作温度范围在-40°C至125°C之间。较高的环境温度可能会由于各向异性势垒上方的磁跃迁而导致数据保留问题，并会由于隧穿磁阻（TMR）的降低而影响器件的可读性。用于MRAM制造的所有热处理工艺也都需要得到良好控制。退火工艺步骤用于改善MgO / CoFeB层的结晶度，从而增强各向异性和TMR。另一方面，过多的热预算会导致MRAM层之间的原子相互扩散，降低器件性能。例如，Ta扩散进入MgO势垒中可能会降低MgO的结晶度，而B扩散到CoFeB外可能会改变垂直各向异性并影响TMR。”

一个令人惊讶的温度考虑因素是回流焊接。正如GlobalFoundries嵌入式存储器高级总监Martin Mason所描述的那样，每个芯片都应能够承受五种不同的回流焊接。前两种发生在最初将芯片安装在板上时–一个用于表面安装，另一个用于同一板上的通孔组件。如果需要返工，那么将有一个以上的设备来移除任何有故障的单元，然后最多有两个来更换那些单元。

每个焊接周期都需要将温度升高到220至270°C并持续10至15分钟，据Adesto创始人兼存储器工程副总裁Shane Hollmer所说：“这些技术中的许多技术都在热稳定性和数据保留方面作了努力。”这对于那些在芯片测试中编写程序，之后组装到电路板上的设备来说是个问题。

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