【導讀】近期臺積電技術長孫元成在其自家技術論壇中，首次揭露臺積電研發多年的eMRAM（嵌入式磁阻式隨機存取存儲）和eRRAM(嵌入式電阻式存儲器)將分別訂于明后年進行風險性試產。預計試產主要采用22nm工藝。這種次世代存儲將能夠為物聯網、行動裝置、高速運算電腦和智能汽車等四領域所提供效能更快和耗電更低的存儲效能。臺積電此舉讓嵌入式存儲器再度回到人們的視線中。本文將為你闡述嵌入式存儲器的前世今生。
何為嵌入式存儲器
隨著信息技術的發展，嵌入式存儲器在SOC中的面積所占比重也在逐年增加，從圖一可以看出，從1999年平均的20%上升到2007年的60-70%乃至2014年的90%的面積。可以看出，嵌入式存儲器對于芯片系統性能的影響越來越大。
圖一 嵌入式存儲器在SOC中所占芯片面積的比重。
圖二 MPU于DRAM隨時代變遷而發展的關系圖
同時片內存儲器具有靈活簡單的接口、更低延遲和更寬總線，更為重要的是還能節省系統的空間大小，使得它日益受到集成電路設計師的青睞。在這一時期嵌入式存儲器主要以SRAM和DRAM兩種形式呈現。
到了九十年代中期，Intel做了一項重大創新，將片外高速緩沖器（Cache）集成到了片內。這直接導致當時一大批分立的片外高速緩沖存儲器廠商倒閉，成為嵌入式存儲器代替分立式存儲器的標志性事件。
到了今天一顆手機處理器超過90%的面積由各種嵌入式SRAM如寄存器堆，一二級緩存甚至三級緩存組成，嵌入式SRAM也成為晶圓代工廠的工藝技術衡量指標。由于SRAM由六個晶體管組成，而DRAM只有一個晶體管加一個電容組成，具有面積優勢，當時很多廠商其實都在思考將DRAM嵌入到系統的可能性。
九十年代，當時IBM，Toshiba等大公司都在嘗試開發嵌入式DRAM。但開發并不順利，開發的難點在于DRAM工藝與常規邏輯工藝差異很大，工藝的整合難度相當大。雖然到今天，隨著工藝的進步，使得一些公司像TSMC也在重新審視eDRAM的可行性，并有部分成果，但是主流的設計還是沒有將eDRAM納入必備選項。
后來隨著消費類電子大幅成長，不斷擴大的存儲需求刺激著嵌入式閃存（eFlash）不斷發展。從早期，設計人員將程序簡單固化在ROM中，到后來的OTP，EEPROM乃至現在很火的高密度eFlash內存。嵌入式內存能夠有效存儲代碼和數據，而且掉電后還不丟失，對很多應用都有重要意義。
然而走到今天，現有存儲技術暴露的一些缺陷，比如SRAM、DRAM的問題在于其易失性，斷電后信息會丟失且易受電磁輻射干擾，這一缺陷極大限制了其在國防航空航天等一系列關鍵高科技領域的應用。而FLASH、EEPROM的寫入速度慢，且寫入算法比較復雜，無法滿足實時處理系統中高速、高可靠性寫入的要求，且功耗較高，無法滿足嵌入式應用的低功耗要求。
圖三 FRAM結構剖面圖
（2）磁性存儲器（MRAM）
MRAM是利用材料的磁場隨磁場的作用而改變的原理所制成。利用磁存儲單元磁性隧道結(MTJ)的隧穿磁電阻效應來進行存儲。
如下圖四所示，MTJ有三層，最上層為自由層，中間是隧道結，下面是固定層。自由層的磁場極化方向是可以改變的，而固定層的磁場方向固定不變。當自由層與固定層的磁場平行時，存儲單元呈現低阻態；當磁場方向相反時，存儲單元呈現高阻態。MRAM通過檢測存儲單元電阻的高低，來判斷所存數據是0還是1。
圖四 MJT結構示意圖
（3）相變存儲器(PRAM)
PRAM的存儲原理是利用某些薄膜合金的結構結構相變存儲0和1的信息。通常這些合金具有兩種穩定狀態：具有低電阻的多晶狀態和具有高電阻的無定形狀態。PRAM應用硫系玻璃材料，利用硫族材料的電致相變特性，其在晶體和非晶體狀態呈現不同的電阻特性。當被加熱時呈晶體狀，為1狀態；當冷卻為非晶體時，為0狀態。通過改變流過該晶體的電流就可以實現這兩種狀態的轉換。
圖五 相變存儲材料
（4）阻變式存儲器(RRAM)
RRAM的原理是通過特定的薄膜材料的電阻值在不同電壓下呈現的電阻值不同來區分0和1的值。RRAM的存儲單元具有簡單的金屬/阻變存儲層/金屬(MIM)三明治結構如圖六所示。
圖六 RRAM器件結構圖
表一 幾種存儲器性能對比
新型存儲器挑戰
FRAM目前作為新型存儲器的主要問題是鐵電薄膜材料。未來發展需要解決的主要難題：一是采用3D結構縮小單元面積提高集成度；二是提高鐵電薄膜特性。
RRAM還是一項前沿的研究課題，目前還主要停留在實驗室階段。未來材料的尋找仍然是RRAM面臨的主要問題。
而臺積電未來選擇先生產的MRAM和PRAM也會遇到挑戰。MRAM的主要問題在于其高昂的制造成本。其次MRAM依靠磁性存儲材料，磁場會對周圍的芯片產生怎樣的影響需要仔細考慮。
而PRAM的最大問題是成本和容量。目前PRAM的單位容量成本還是比NAND高不少。發熱對于PRAM而言是個大問題，由于PRAM需要加熱電阻式材料發生相變，隨著工藝越來月先進，單元變得越來越精細，對于加熱元件的控制要求也將越來越高，那發熱帶來的影響也將加大。發熱和耗電可能會制約PRAM的進一步發展。
嵌入式存儲器未來
嵌入式存儲器具有大容量集成的優勢，是SOC的重要組成部分，具有重要的創新性和實用性。何種嵌入式存儲器將取得最終的成功，取決于多方面的因素：能否與標準CMOS 工藝兼容，在不斷增加復雜性的工藝步驟的基礎上，實現大容量的片上集成，從而提高其性價比；能否隨著工藝的發展縮小尺寸，解決超深亞微米工藝的延續性和擴展性問題，這是所有采用電容結構存儲信息的存儲器面對的共同挑戰；能否滿足片上其他高速邏輯的帶寬需要，構成帶寬均衡、穩定簡潔的集成系統；準確的市場定位，保持量產。
總而言之每項技術的發展都有其機會與挑戰。而無懼挑戰勇于創新的企業最終將贏得市場。
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