什麼是記憶體的未來？英特爾無疑是對未來技術押寶最多的廠商之一，從Rambus DRAM，到後來的傲騰3D Xpoint內存，它表現出了對更先進技術的探索與渴望，只可惜，這兩種被英特爾寄予厚望的記憶體技術卻最後都被自己親手判了死刑，讓人扼腕嘆息。

而在傲騰謝幕之後，又有哪些技術值得大家關注呢？

來自Coughlin Associates 的Tom Coughlin 和來自Objective Analysis 的Jim Handy 近期發布了一份報告，兩位半導體分析師對目前五種新興儲存技術的前景進行了詳盡的分析，從中我們或許可以窺得技術發展的一角。

分析師首先總結了傲騰失敗的經驗教訓，半導體製造的本質是產量越高，成本越低，有了傲騰，英特爾本可以提高產能來降價，並帶動晶片銷量，但傲騰一開始的產能並不充沛，這意味著晶片成本較高，且必須自行承擔這部分損失，必須在銷量不斷上升，直到證明產能增加的合理性，最終降低每塊晶片的成本，從而大幅盈利。

這也顯示了規模經濟在新興記憶體市場發揮的作用可能比我們想像的還要大，報告中給出了一個結論，即晶圓體積必須接近競爭技術體積的10%，才能實現成本均等。

而在傲騰逐步走向失敗的過程中，有五種新興儲存技術開始登上舞台，包括MRAM、相變記憶體( PCM )、鐵電RAM ( FERAM )、電阻式記憶體RAM ( ReRAM ) 和NRAM/UltraRAM ，它們有望超越NAND 和NOR 的擴展限制，且功耗比DRAM 和SRAM 更低。

01

FRAM/FeRAM

1952年發明的FRAM是歷史最悠久的新興記憶體，時至今日，已經有超過40 億顆FRAM晶片搭載於各類設備中。儘管名字裡帶鐵，但FRAM 並沒有實用任何鐵，它只是具有一個類似於鐵磁性的磁滯迴線，並且該磁滯迴線允許它存儲數據，

FRAM 的原理是利用某些晶格的獨特物理特性，在鐵電材料中，原子可以佔據晶格內兩個穩定位置之一，電場將晶格內的移動原子移動到兩個穩定位置之一，取決於電場的極性和一些物理屬性（可能是電容或電阻），取決於被捕獲原子的位置。

目前也有多家廠商還在生產FRAM，例如英飛凌主要生產分立FRAM 晶片，而德州儀器和富士通則將該技術嵌入到MCU 中，富士通還在地鐵車票裡嵌入了FRAM，而此用途的主要原因是是FRAM 的寫入能耗是儲存技術中相對最低的。

為什麼FRAM 發明了這麼久，生產了數十億顆晶片後仍不為人知，還被列入新興儲存技術？

原因是FRAM之前主要基於鋯鈦酸鉛(PZT) 和鉭酸鍶鉍(SBT)，但這兩種材料都包含鉛或鉍，會對晶圓廠造成污染，從而限制了它的產能，幸運的是，2011 年發現氧化鉿（HfO）在某些條件下具有鐵電特性。HfO 是FinFET 中使用的高K 閘極電介質的基礎，不僅解決了產能問題，而且不會造成污染，因而儘管HfO 還沒有正式用來生產，但未來前景十分廣闊。

與快閃記憶體相比，FRAM 的優勢包括功耗更低、寫入速度更快和最大讀/寫耐久性更高，FRAM 在+85 °C 下的資料保存時間超過10 年（在較低溫度下可長達數十年），但它也有自己的缺點，即儲存密度遠低於閃存設備，儲存容量有限，成本較高，截至2021 年，不同供應商銷售的晶片的儲存大小（密度）不超過16Mb 。

目前，FRAM 現在正在透過CMOS 技術嵌入到晶片中，使MCU 能夠擁有自己的FRAM 記憶體，這比在MCU 晶片中嵌入快閃記憶體所需的級數要少，從而大大降低了成本。

02

PCM

由於英特爾推出的傲騰內存，相變記憶體（PCM 或PRAM）早已成為新興記憶體技術中收入遙遙領先的存在，事實上，早在1970年，英特爾的戈登-摩爾（Gordon Moore）與羅恩-尼爾（Ron Neale）以及DL-尼爾森（DL Nelson）就共同撰寫過一篇關於256 位元PCM 原型的文章，其研發歷史之悠久，並不遜色其他儲存技術。

PCM的起源要追溯到1960 年，奧夫申斯基成立了能源轉換實驗室，研究非晶態材料及其相變特性。該實驗室於1964 年更名為能源轉換設備公司(ECD)，奧夫申斯基的眾多創新成果之一就是以他本人命名的Ovonics相變記憶體。英特爾最終與ECD 合作，獲得了Ovonics 相變記憶體的智慧財產權許可，並於2015 年正式發布了3D XPoint PCM。

除去英特爾，義法半導體生產過具有PCM 程式記憶體的微控制器（MCU），而三星和美光這類儲存廠商也都在十多年前大規模生產了PCM NOR 快閃記憶體替代產品，不過這部分產品的存在時間相當短。

PCM 的基礎是一種沉積在標準CMOS 邏輯晶片上方的瑀玻璃材料，這種材料會根據玻璃的特性改變其狀態，玻璃從結晶狀態和非晶狀態，分別對應導電或電阻狀態，其提高存儲容量的方式有兩種：一種是三維堆疊，是英特爾和美光專注的領域，還有一種是多值技術，IBM在該領域取得了突破性進展。

和快閃記憶體相比，PCM的優點非常多，如可嵌入功能強、優異的可重複擦寫特性、穩定性好以及和CMOS製程相容等，事實上，到目前為止，還未發現PCM 有明確的物理極限，當相變材料的厚度降至2nm時，元件仍能發生相變。

PCM的最大優勢是可以採用交叉點配置，在兩條正交導電線的交叉處儲存數據，這有利於堆疊，從而使晶片尺寸和生產成本低於除3D NAND 以外的任何成熟技術。

但PCM也有不容忽視的缺點，發熱仍然是主要問題，雖然內存是熱穩定的並且可以處理高溫應用，但對單元進行編程時產生的熱量可能影響其相鄰單元，局部加熱會導致電池上方出現空隙，此外，閃存每個單元儲存和檢測多個位元的能力，使它目前仍然比PCM具有儲存容量優勢。

近幾年，人們對PCM 在記憶體運算中的應用產生了濃厚的興趣。其想法是透過利用PCM 的模擬儲存能力和基爾霍夫電路定律，在記憶體陣列本身中執行計算任務，例如矩陣向量乘法運算，2021年，IBM發布了基於集成在14 nm CMOS技術節點的多層PCM的成熟記憶體計算核心。

03

MRAM

磁性RAM（MRAM）是一種基於所有磁性記錄（硬碟、磁帶等）物理原理的技術，但其應用方式去除了機械元素，截至目前，摩托羅拉（Motorola）和飛思卡爾（Freescale）的研究成果催生出的Everspin 公司是該技術的領導者，2021 年該公司的營業收入為4,400 萬美元。

此外，Avalanche 和Numem 最近也加入了生產MRAM的行列，而台積電、格芯和三星等代工廠都推出了嵌入式MRAM 工藝，目前MRAM工藝已開始應用於物聯網應用和微功耗設備的SoC 中。

MRAM的種類非常豐富，但它們的結構都非常相似，都使用鈷和鎂層作為巨磁阻（GMR）感測器和磁開關元件的組合，它們也被大量用於硬碟讀取/寫入磁頭，其主要優勢在於速度，不少人設想過MRAM 將來能夠取代高速SRAM。

經過多年研究，MRAM已經分為多種類型和路線：STT-MRAM 有效地解決了SRAM記憶體在不活動時「洩漏」能量的問題；SOT-MRAM顯著提高了裝置的耐用性和讀取穩定性，消除了STT-MRAM 裝置中固有的開關延遲；VCMA-MRAM進一步降低了STT-MRAM的功耗，但寫入速度相對較慢；VG-SOT則綜合了前兩者的優點，但製造工序較為複雜，功能有待驗證；(VG-)SOT MRAM在模擬記憶體計算方面具備更大潛力…

多年來，不同類型的MRAM 儲存裝置不斷湧現，在寫入速度、可靠性、功耗和麵積消耗之間進行權衡，根據具體特性有完全不同的應用，例如用於嵌入式快閃記憶體和末級快取的STT-MRAM、用於較低階快取的SOT-MRAM、用於超低功耗應用的VCMA-MRAM，最後是VG-MRAM，VG-SOT MRAM作為終極統一高速緩存，還具有記憶體運算的優勢。

在MRAM 中，資料通常儲存在磁性可以改變的”自由”層中，並與生產時設定的”固定”層進行比較，而GMR 感測器負責檢測兩者之間的差異。大多數MRAM 變體的最大差異在於資料的寫入方式。所有MRAM 的每個位元單元都至少使用一個晶體管，而許多MRAM 則使用兩個晶體管，且電流相當大，這也讓該技術的生產成本效益低於其他技術。

MRAM具有SRAM相容的讀/寫週期，因此特別適合於那些必須以最小延遲存儲和檢索資料的應用程序，它成功把低延遲、低功耗、無限持久性、可擴展性和非易變性結合到了一起。

作為一種磁性技術，MRAM 本質上是抗輻射的，這使得它在航空航天應用中很受歡迎，而且這些應用對價格的敏感度也較低。此外，MRAM還在企業儲存中找到了一席之地，例如IBM 的快閃記憶體核心模組，其中Everspin 的MRAM 用作意外斷電時的緩衝區。

MRAM在工業應用中也有廣闊的前景，分析師表示，工業應用程式需要具有非常快速的寫入能力，且需要非揮發性存儲，但NAND 快閃記憶體、NOR 快閃記憶體和EEPROM的寫入速度都非常慢，而且消耗大量電力，而額外搭配電池的SRAM，每隔幾年就需要更換電池，對比之下MRAM在這些場景中就顯得如魚得水了。

汽車產業則是MRAM如此受歡迎的重要原因之一，由於對MCU 的需求不斷增加，快閃記憶體的成本水漲船高，因而不少供應商開始從快閃記憶體轉向eMRAM。2022 年，瑞薩電子宣布推出STT-MRAM 測試晶片，其表示，與採用FEOL 製造的快閃記憶體相比，在22 nm 以下製程中，採用BEOL 製造的MRAM 具有優勢，因為它與現有CMOS 相容邏輯工藝技術，並且對額外掩模層的需求更小。

IBM 態度更加樂觀。IBM傑出研究人員兼高級經理Daniel Worledge 表示：「大約三年後，您將能夠指著街上的每輛新車並說該車內有eMRAM。」 「先進節點中不再有嵌入式閃存，所有代工廠都已停止開發它，過渡期為22 奈米和28 奈米，取決於代工廠。”

04

ReRAM/RRAM

1971 年，加州大學柏克萊分校的萊昂-蔡（Leon Chua）撰寫了一篇題為”憶阻器–缺失的電路元件”的理論論文。該論文描述了第四種基本被動電子元件–憶阻器，它可以根據先前流過該裝置的電荷量來調節流過自身的電流。此時的憶阻器只是一種理論，它是一種假想的裝置，滿足了描述其他三種基本被動電子元件（電阻、電容和電感）行為的方程式對對稱性的需求。

而將近四十年後，也就是2008 年，惠普實驗室宣布已經成功用二氧化鈦製造出了憶阻器，且憶阻器是一種非二進位裝置，可以用來儲存類比或數位數據，當時有人預測DRAM 即將消亡，憶阻器將以電阻記憶體或RRAM 的形式取而代之，當時惠普表示，將在即將推出的月球電腦中採用RRAM。

但到了2015 年，惠普又撤銷了這個決定，表示將在月球電腦中使用DRAM，而不是憶阻器，在惠普宣布憶阻器生產成功的15 年後，RRAM 革命仍未發生，而且似乎也不會很快發生。

與MRAM 一樣，電阻式RAM（ReRAM 或RRAM）也有多種變體，它們都是透過在標準CMOS 邏輯上沉積特殊材料來製造的。

ReRAM 代工製程主要由台積電、華邦和格芯提供支持，瑞薩（透過收購Adesto）、富士通、微芯和索尼將ReRAM 作為獨立產品生產，新唐科技則將其用於微控制器中，目前全球也有許多公司正在開發ReRAM 製程。

ReRAM的技術原理是在電阻式RAM 單元中，電流通過兩根導線來檢測位元單元的電阻是高還是低，通常情況下，透過向正或負方向增加電壓來改變單元的狀態，從而增加或降低單元的電阻，透過將金屬離子或氧空位等導電元素移入電橋，或從現有電橋中移除這些元素來實現的。有一部分可能會認為，大多數其他新興儲存技術（PCM、MRAM 和FRAM）都可以歸類在ReRAM 類別，因為它們也使用可變電阻來指示記憶體位元的狀態。

ReRAM 的關鍵特性與PCM 一樣，它可以內建在用於堆疊的交叉點單元中，由於可以在單一位元單元上儲存線性值，因此也未來也有機會能夠用在神經網路之中。

ReRAM的主要優點在於消耗電力較低，不需要像傳統儲存裝置那樣消耗大量的能量來維持儲存狀態，部分RRAM材質還具備多種電阻狀態，使得當個儲存單元儲存多位資料成為可能，從而提高儲存密度，不過在隨機讀寫速度和耐久度上相對其他新興技術不具備優勢。

多年來，與ReRAM 技術相關的專利申請數量不斷增加，尤其是2010年後，專利申請量顯著增加，目前三星擁有最多數量的相關專利，緊隨其後的是美光和SK 海力士，主要儲存廠商都對於這項技術表示出了興趣。

05

NRAM/UltraRAM

NRAM是Nantero公司的專有電腦記憶體技術，它是一種基於沉積在晶片狀基板上的碳奈米管位置的非揮發性隨機存取記憶體，理論上，奈米管的小尺寸可以實現非常高密度的記憶體。

Nantero公司花了將近20年的時間來研究NRAM，它運作方式和其他儲存有所不同，其由碳奈米管層所製作而成，碳奈米管是由催化劑微粒（最常見的是鐵元）生長而來的。每個NRAM「單元」或電晶體由一個碳奈米管網路組成，其工作原理與其他非揮發性RAM技術相同。相互不接觸的碳奈米管呈現高電阻狀態，代表「關閉」或「0」狀態；當碳奈米管相互接觸時，它們呈現低電阻狀態，代表「開啟」或「1」狀態。

與NAND和DRAM相比，NRAM能耗更低，待機模式的功耗接近零，寫入速度更快，且具有無限的擴張性，FRAM突破不了100奈米，EEPROM一般為60多奈米， NOR Flash為十幾奈米，而NRAM可以推進至5奈米，未來的擴展空間比較大。

NRAM 相對於傳統快閃記憶體的另一個優點是耐久度，可實現幾乎無限的讀寫循環。它們還具備耐熱、耐寒、抗電磁幹擾和輻射的能力， Nantero表示，其在85攝氏度下可以保存數千年，並在300攝氏度下經過了10年的測試，也沒有丟失哪怕一比特的數據。

NRAM不但可以做資料儲存也可以做程式儲存，這項特性對消費性電子市場具有巨大吸引力。目前，針對獨立NRAM和嵌入式NRAM的產品開發專案正在進行中。正在尋求獨立NRAM的三個目的：用於DRAM替換，用於NAND快閃記憶體替換以及用於DRAM和NAND快閃記憶體都無法尋址的應用。在嵌入式記憶體領域，正在進行使用嵌入式NRAM取代嵌入式非揮發性記憶體的工作，包括嵌入式快閃記憶體或嵌入式RAM（SRAM或DRAM）。

2016年富士通和USJC公佈，已經與Nantero企業達成共識，獲得NRAM技術授權，可以進行NRAM的開發設計與生產製造，作為NRAM的第一代產品，富士通16Mbit的DDR3 SPI接口產品預計將於2021年前後上市。

06

總結

隨著AI、物聯網等領域的興起，使得大數據的應用越來越廣泛，而這部分新領域催生了對儲存的新需求，讀取速度快、儲存密度高、壽命長、電壓低、尺寸更小成為了目前最迫切的需求，但目前的幾種儲存已經力不從心。

這也為上述的五種儲存技術提供了新的機會，不論哪一種儲存技術，都有自己的獨到之處，具備對快閃記憶體的巨大優勢，其中MRAM由於類型豐富，應用前景廣闊，綜合優勢明顯，成為了半導體分析師最為看好的技術。

但這並非代表MRAM穩操勝券，隨著其他儲存技術的發展與應用，未嘗沒有取而代之的可能性，究竟哪一種儲存技術才是未來，還請大家拭目以待。