新型存储设备，一文了解新型存储技术

很多朋友对新型存储设备，一文了解新型存储技术不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

随着“万物智能”时代的到来，人工智能(AI)、边缘计算等庞大计算架构的应用需求得到了极大的提升。然而，传统的存储器在功耗、数据访问速度、存储密度等方面受到工艺流程的限制，已经无法与时俱进。一种新型的记忆出现了。

目前包括FRAM、PCM、MRAM、ReRAM在内的新型存储器，功耗更低，读写速度更快，可以形成未来存储架构中的最后一级缓存，消除内部存储器和外部存储器之间的“存储墙”。同时，它们都具有突破传统冯诺依曼架构瓶颈的潜力，是实现内存操作的最佳选择之一。

随着5G、人工智能(AI)和智能汽车等新兴应用的快速变化，市场对数据存储在速度、功耗、容量和可靠性方面提出了更高的要求，存储技术不断面临新的挑战。在目前主流的内存技术中，DRAM虽然速度快，但功耗高，容量小，成本高，断电时无法保存数据，使用场景有限。NAND Flash读写速度低，存储密度明显受工艺限制。

为了突破DRAM、NAND Flash等传统存储器的限制，存储器的技术壁垒不断被打破，新的存储技术开始进入大众视野。有哪些新的存储类型？目前新兴的存储技术旨在整合SRAM的开关速度和DRAM的高密度特性，并具有Flash的非易失性特点。新的存储技术主要可以分为相变存储器(PCM)、磁流变存储器(MRAM)、电阻存储器(RRAM/ReRAM)和铁电存储器(FRAM/FeRAM)。

相变存储器(PCM)通过改变PCM的相态来获得不同的电阻值，主要适用于大容量独立存储应用。磁流变存储器通过改变磁性材料中磁性芯片的方向来改变电阻，主要适用于小容量、高速度、低功耗的嵌入式应用。

另一方面，电阻存储器通过在电阻材料中形成或关闭导电通道来实现电阻变化。目前主要用于物理不可克隆函数(PUF)，未来可能在人工智能、记忆和计算集成等领域发挥作用。此外，近年来，存储与计算的融合逐渐成为解决当前存储挑战的热点趋势之一。

以上所有新型存储技术都有一些共性，比如非易失性或持久性特性，所有主流的非易失性存储器都来源于只读存储器(rom)技术；有些技术可以通过工艺缩小尺寸，从而降低成本；不需要使用闪存所需的块擦除/页写入方式，大大降低了写入功耗，提高了写入速度。下表是新存储技术的关键指标对比：图表来源：全球半导体观察表02各种技术？

相变存储器(PCM)PCM是在低阻晶态(导电)和高阻非晶态(不导电)之间改变相变材料(相变的意思是：例如水在0从液态变为固态，即相变)，即通过改变相变材料的相态来获得不同的电阻值，所以有人认为可以归为阻变存储器(ReRAM)。

PCM具有寿命长、功耗低、密度高、抗辐射性能好的技术特点。同时，PCM在写入更新代码之前不需要擦除之前的代码或数据，因此其读写速度比NAND Flash更高，读写时间更均衡。PCM被认为是与CMOS技术最兼容和最成熟的存储技术。

对于PCM来说，温度、成本、良品率是其技术突破的关键条件。另外，PCM采用的多层结构可以使相变材料兼容CMOS工艺，但这也导致存储密度低，所以PCM在容量上无法取代NAND Flash。PCM技术主要以Intel和美光联合开发的3D Xpoint为代表。

2006年，英特尔与三星合作生产了第一款商用PCM芯片。2015年，英特尔与美光联合开发了一款革命性的内存芯片——3D Xpoint。前者被命名为Optane，后者被命名为QuantX。3D Xpoint技术是一种非易失性存储技术，不同于NAND闪存通过晶体管充放电存储数据的工作原理，3D Xpoint通过PCM相变材料存储数据。插图：三维x点

英特尔和美光的表示，虽然3D Xpoint比DRAM慢，但它的性能是闪存的1000倍，可靠性是闪存的1000倍，容量密度是闪存的10倍。然而遗憾的是，随着英特尔奥腾业务的关闭，3D XPoint技术也将淹没在历史的长河中。据外媒“Tomshardware”去年11月报道，英特尔已经悄然推出Optane)SSD DC P5810X固态硬盘，这可能是英特尔最后一款基于3D XPoint闪存的存储设备。

然而，该行业仍在开发PCM技术。去年年初，华中科技大学集成电路学院信息存储材料与器件研究所(ISMD)与Xi交通大学材料创新与设计中心(CAID)合作，研发出功耗低于0.05pJ的网络非晶结构相变存储器，比主流产品低1000倍。磁流变存储器(MRAM)

MRAM是一种基于隧道磁阻效应的技术。MRAM产品主要适用于容量要求不高的特殊应用领域和新兴的物联网嵌入式存储领域。该技术具有读写次数不限、写入速度快(写入时间可低至2.3n)、功耗低、逻辑芯片集成度高等特点。插图：MRAM原理和结构

目前主流的MRAM技术主要以美国Everspin公司推出的STT-MRAM(垂直混合自旋-扭矩转换磁性随机存取存储器)为代表。Everspin是一家商业设计、制造和销售分立和嵌入式磁阻RAM(MRAM)和自旋转移力矩MRAM(STT-MRAM)的企业。

2019年，Everspin与晶圆代工厂合作，试产28nm 1Gb STT-MRAM产品；2020年3月，双方宣布将联合开发的自旋扭矩(STT-MRAM)器件的制造扩展到12 nm FinFET平台，这将有助于双方通过减少工艺进一步降低1 Gb芯片的成本。Everspin已经在数据中心、云存储、能源、工业、汽车和运输市场部署了超过1.2亿个MRAM和STT-MRAM产品。

STTMRAM利用隧道层的“巨磁阻效应”来读取比特单元。当层两侧的磁方向相同时，电阻较低，当磁方向相反时，电阻会变得很高。与其他新兴存储技术相比，STT-MRAM具有优异的耐用性和极快的存储速度，也被认为是最先进的高速缓存。

MRAM的另一项技术是SOT-MRAM(Spin Track Torque Magnetic Random Access Memory)，采用三端MTJ结构分离读写路径，通过分离读写路径提供更高的耐用性。这两种存储器凭借存储速度和耐久性的特点，有望成为高性能计算系统(如数据中心)的分级存储系统中的最佳选择。然而，如果STT-MRAM或SOT-MRAM用作高密度存储器，存储器的成本和密度需要进一步提高。

RRAM/ReRAM)ReRAM是一种非易失性存储器，其基于非导电材料的电阻在外部电场的作用下在高阻抗状态和低阻抗状态之间的可逆转换。该技术具有速度快、耐久性强、多比特存储容量的特点，一般小于100ns。

ReRAM分为许多不同的技术类别，包括氧空位存储器(OxRAM)、导电桥存储器(CBRAM)、金属离子存储器(MeRAM、金属存储器)、忆阻器和碳纳米管。代表公司有美国Crossbar、松下、鑫源半导体。

由于存储介质中导电通道的随机性，ReRAM在二进制存储中很难保证大规模阵列的均匀性。因此，业界普遍认为ReRAM完全可以满足神经形态计算、边缘计算等应用对能耗、性能和存储密度的要求，有望在AIoT、智能汽车、数据中心、AI计算等领域得到广泛应用，被认为是实现存储和计算一体化的最佳选择之一。图示：ReRAM原理和结构

在新兴的存储技术中，ReRAM技术更适合存储单元的多级存储，有利于降低能耗，提高性价比。近年来，TSMC、Crossbar、Intel、富士通、三星、UMC、Adesto等国际厂商都在重点布局这项技术。

去年12月，英飞凌宣布，下一代Aurix微控制器将使用嵌入式非易失性存储器，特别是电阻式随机存取存储器(ReRAM)，而不是嵌入式闪存(eFlash)，并将在TSMC的28纳米节点上制造。英飞凌基于TSMC 28纳米eFlash技术的Autrix TC4x系列微控制器样品已经交付给主要客户，基于TSMC 28纳米ReRAM技术的首批样品将于2023年底提供给客户。

值得一提的是，国内存储新锐企业鑫源半导体去年6月宣布，其基于ReRAM的“鑫山文”系列安全存储产品已在工业自动化控制核心部件实现商用。这标志着ReRAM新存储技术在先进工艺节点通过了严格的测试，并被工控领域接受，ReRAM新存储在中国的产业化更进一步。此外，赵一创新与Rambus共同成立合资公司合富锐科威，将ReRAM技术商业化，目前还没有量产的消息。

铁电存储器的FRAM技术(FRAM/FERAM)利用铁电材料的电压-电流关系具有磁滞回线的特性来实现信息存储。铁电材料可以同时用于CMOS集成电路的电容器和栅氧化层的数据存储。插图：FRAM原理和结构

FRAM技术具有读写速度快、寿命长、功耗低、可靠性高的特点，正在成为未来多特性存储器的发展方向之一。FRAM产品已在半导体市场得到商业验证，FRAM存储器产品已成功应用于汽车。FRAM的代表公司包括日本的Ramtron和Symetrix、英飞凌和富士通半导体。

此前，在广泛应用于CMOS栅氧化层的氧化铪(HfO2 _ 2)中发现了铁电性，引起了业界的关注。铁电材料因其具有速度快、不易丢失数据和易于集成到CMOS中等优点而被广泛研究作为新型存储器的候选材料。结论

几十年来，研究人员夜以继日地研究，希望开发出一种新的存储技术，可以取代传统的内存。虽然目前的新存储市场主要集中在低延迟存储和持久存储，但不具备取代DRAM/NAND闪存的能力。然而，在数据爆炸式增长的时代，新型存储凭借其超强性能、长寿命、可靠、耐高温等优良特性，有望成为存储领域的新选择。回顾唐子红

以上知识分享希望能够帮助到大家！