四大快闪记忆体替代技术

四大快闪记忆体替代技术

 PCM、FRAM、MRAM、RRAM

 快闪记忆体仍如日中天，智慧手机消费型设备，例如平板电脑和智慧手机，强劲地推动了快闪记忆体及整个半导体市场。未来几年，平板电脑的市占率将不断增加，目前最常见的快闪记忆体类型是 NAND，一位市场分析师预测：2011 至 2015 年之间， NAND的市场复合年增长率将达到 7%。

技术方面，记忆体密度因采用 25nm 及以下制程技术，让制造商能进一步扩大优势。领先的 NAND 快闪记忆体制造商开始用 20-30nm 范围的技术生产 64Gb记忆体，并加速使用创新的记忆体架构和结构，以满足高密度需求。例如SanDisk 和 Toshiba 今年早些在ISSCC（国际固态电路会议）发表的一篇论文，详细介绍了采用 19nm 3 位元/单元技术的 128Gb 的 NAND 快闪记忆体设备。 

Flash的替换技术 

尽管短中期内快闪记忆体继续缩小，但长期来看在独立和嵌入式应用中，仍然有可能替换的持续需求。竞争者包括半导体公司、研究机构和大学目前正在研究的30 多种不同的非挥发性记忆体技术，一些技术已有小批量出货。四种领先的技术提供了多方面胜过快闪记忆体的优势，如读/写速度快 100倍、可写次数明显更高，它们是相变记忆体（PCM或PRAM）、铁电随机存取记忆体（FRAM 或 FeRAM）、磁阻随机存取记忆体（MRAM）以及电阻型随机存取器（RRAM 或 ReRAM），简介如下：

1. PCM

PCM 利用硫系玻璃的特性，能够在四种不同状态之间切换：结晶、非晶和两种部分结晶状态。切换是可能的，因为电流通过玻璃时产生的热量会改变物质的状态。由于 PCM可以产生多达四种状态，所以储存容量能增倍，每个单元提供两位元。不同状态的电阻系数大相径庭，例如，高电阻非晶状态可以代表一个二进位“0”，低电阻结晶状态可以代表“1”。

 PCM 的主要缺点是高温灵敏性。它也会随着使用而退化，但速度比快闪记忆体慢得多，快闪记忆体有大约 5000 次写入的额定值，而 PCM 则有大约 1 亿次。 PCM 可以提供高性能，尤其是在那些写入密集的应用中，因为它的切换速度快，单个位元更改无需先擦除块，且目前能够缩小到 40nm。

 美光科技和三星电子目前正在争相生产首个 1Gb 的 PCM元件，三星电子目前已做出一个手机的非快闪记忆体相容的512 Mbit 的PRAM。

 2. FRAM

FRAM 的结构与 DRAM 相似。 DRAM 包括 一个电介质存取电晶体和一个基于电容器的储存节点，而 FRAM 使用锆钛酸铅 (PZT) 之类的。铁电材料形成铁电电容器，整合到存取电晶体的栅极体中。铁电材料的晶体结构可以形成半永久的电偶极子，按外电场的方向自动排序，并在电场去除后保持这种极化。这允许读/写操作都可以随机存取每个位元，使用每个单元都可行的两种可能极化，二进位储存“0”和“1”。

 FRAM 功耗更低，写入性能更快，且写入次数远非快闪记忆体可比。 缺点包括：较低的储存密度、储存容量的限制和较高的成本。

 Fujitsu 已发布了专为替代工业、工厂和低功耗应用中的快闪记忆体和 SRAM 而设计的 FRAM 设备，而德州仪器(TI)正在逐渐开始提供基于 FRAM 的微控制器。

3. MRAM

MRAM 使用两个铁磁板形成的磁铁记忆元件，每个都有磁场，由一个薄绝缘层隔开。最简单的单元结构是旋转阀配置。一块板是固定极性的永久磁铁，另一块板具有可以变化以匹配外部磁场的磁场。位元的储存方法是两块相同极性的板代表“1”，两块相反极性的板代表“0”。 这些单元的网格形成记忆体设备。该技术不仅有望替代快闪记忆体，还可能替代DRAM 和 SRAM 记忆体。但是，由于外部直流磁场导致长期施加的扭矩所带来的干扰，MRAM 非常敏感。

 从飞思卡尔半导体分离出来的公司 Everspin 预计在 2012 年生产数百万片MRAM，但市场现在更期待称作 SST-MRAM（旋转传输扭矩 MRAM）的第二代 MRAM 技术。这项技术使用隧道阻挡层替换了绝缘层，并使用自旋排列（极化）电子。主要优点是减少了写入所需的电流，使它的速度可与读取过程相比，并使高密度成为可能；但必须保持旋转的连贯性，且高速操作仍需要使用较高的电流。 目前，该技术有望用于小于 65nm 的设备，使用正在研究的新复合结构。

 4. RRAM

电阻型 RAM基于电阻元件材料的电子切换（感应电流或电压)，介于两种稳定的电阻状态（低/高）。 它通过氧化物绝缘体的突然传导完成此切换。 RRAM 通过两个操作在两种电阻状态之间切换：RESET 从低电阻状态恢复高电阻状态；SET 产生相反的转变。

 RRAM 可以缩小到 300nm 以下，一项基于氧化物的 RRAM的研究甚至表明 2nm 级别也可能会发生氧运动。 研究机构 IMEC 预计，带层叠结构的 RRAM 设备能以 11nm 的规格进入市场，“SONOS”快闪记忆体作为在 17-14nm 节点的中间级。

 RRAM 使用最小的能耗提供亚纳秒切换，并提供资料稳定性同时可承受高温和回圈磨损。这种稳健性为包括汽车和嵌入式应用在内的市场提供了新机会。举例说，Elpida 已开发出了 RRAM 原型，目标是在 2013 年开始批量生产，使用提供十亿位元容量的设备并基于 30nm 制程。

终点尚未看到…

 然而，上述四种技术均未取得大批量产的突破，目前仅限于小众市场。快闪记忆体很可能会进一步缩小至少几代，因此在我们可以说“王者已逝，万岁…！”之前，还会有很长一段时间。