美光“自救”

今日“芯”分享

新型存储手握发展“加速卡”。

来源 I 芯潮IC整理自网络

图片来源 I 网络

几个月前，芯潮IC在《美光“搁浅”》一文中介绍了美光公司产品经过审查，并发现存在网络安全问题，要求国内关键信息基础设施运营者停止采购美光公司产品的来龙去脉，以及此举对美光和行业可能带来的诸多影响。

“禁令”之后，美光科技仍动作频频，无论是在市场进展还是技术创新方面，美光科技都正在加大布局和探索力度，试图在存储芯片迎来拐点之际，抓住新一波的发展浪潮。

01、美光开始建设领先的内存工厂

据evertiq日前报道，美光科技20年来第一座新内存制造厂正式开工建设，该项目预计将创造约2000个就业岗位。

就在一年多前，美光科技宣布计划在本世纪末投资约150亿美元，建设一座用于尖端内存制造的新工厂，该工厂将与美光位于家乡博伊西的研发中心位于同一地点。

在该项目的生命周期内，美光科技将直接向爱达荷州经济注入153亿美元，并直接向爱达荷州企业支出130亿美元。该项目将创造2000个直接就业岗位，进一步满足对多元化、高技能劳动力的需求。

博伊西是美光公司的总部，新扩建的卓越技术创新中心以及北美唯一的DRAM研发制造工厂的所在地。美光科技近三分之二的专利是由博伊西团队成员创造的——每天的专利数量超过三项。领先的内存制造工厂位于同一地点预计将为该公司乃至整个美国半导体行业带来多重战略利益。

美光科技总裁兼首席执行官 Sanjay Mehrotra 在一份新闻稿中表示：“距离我们在博伊西首次破土动工仅一年，我们正在为美光科技的未来奠定基础，并为振兴美国高科技制造业制定道路。我们在这里和纽约的投资将确保美国国内的内存生产，满足未来先进应用对快速高效的数据存储和处理所需的大量内存的需求。”

美光表示，它致力于提供有效和创造性的劳动力发展解决方案，让所有人都能在半导体行业找到职业机会。该公司计划在未来10年内向爱达荷州社区和今年早些时候正式确定的劳动力发展优先事项投资7500万美元。

新晶圆厂的洁净室空间预计将从2025年开始分阶段投入使用，DRAM产量将在本世纪下半叶随着行业需求的增长而不断增加。最终，洁净室空间将达到600000平方英尺，相当于大约10个美国足球场的大小，竣工后将成为美国有史以来最大的单体洁净室。

02、铁电存储器，美光全球首创

近日有消息透露，美光科技一篇关于非易失性铁电存储器的论文计划在今年12月的国际电子器件会议上发表。

该论文的摘要称，与传统 DRAM 相比，堆叠式内存可以提供更快的数据移动并容纳更大的神经网络模型，同时提供能源效率。

从美光的这篇题为《NVDRAM: A 32Gb Dual Layer 3D Stacked Non-Volatile Ferroelectric Memory with Near-DRAM Performance for Demanding AI Workloads》的论文中可以看到，该存储可满足高要求的AI工作负载，该论文将在专注于生成AI的会议会议上发表。主要作者是美光先进DRAM和新兴内存副总裁Nirmal Ramaswamy。

虽然近内存计算和内存处理等新颖的计算机架构是热门的研究主题，但美光研究人员断言，近期有机会为现有的传统计算架构配备更高效的内存。

论文摘要声称这是世界上第一个双层、高性能、32Gbit 可堆叠和非易失性铁电存储器技术，美光科技为该技术赋予了非易失性动态随机存取存储器 (NVDRAM) 的矛盾标签。

尽管如此，该技术还显示出除人工智能之外的各种应用的潜力。它结合了铁电存储单元的非易失性和高耐用性，同时超越了 NAND 闪存的保留性能，并提供类似 DRAM 的读/写速度。

该存储器包括与传统电容器一样的5.7nm铁电电容器，并采用传统DRAM的1T1C架构。存储器堆叠有双栅多晶硅晶体管作为存取控制器件。

资料来源：IEDM

上图为32Gbit NVDRAM的扫描电子显微照片横截面，该NVDRAM具有双堆叠1T1C存储层，在CMOS阵列上制造。

为了最大限度地提高存储密度，堆叠式双存储层被放置在48纳米间距的CMOS访问电路之上。

由于IEDM是一个学术会议，因此不太可能对这种存储器的商业引入进行任何正式讨论。但对于它来说，关于其引入与否的决定可能取决于演示后的反馈。

据相关资料记载，铁电存储器发明于1952年。贝尔实验室随后于1955年构建了一个集成的256位FRAM阵列，作为一个无源的单片半导体元件，三年后，Jack Kilby拼凑起来并在德州仪器 (TI) 发明了第一个集成电路。20世纪80年代末，科罗拉多斯普林斯的一家名为Ramtron的公司完成了FRAM的早期商业化工作。

他们写到：“FRAM的销量似乎比所有其他新兴内存类型的销量总和还多。富士通在其地铁票价卡RFID芯片中使用了FRAM，迄今为止已售出超过40亿颗此类芯片。”

FRAM采用铁电晶体材料作为存储介质，利用铁电晶体材料电压与电流关系具有特征滞后回路的特点来实现信息存储。

FRAM结构图

FRAM产品将ROM的非易失性数据存储特性和RAM的无限次读写、高速读写以及低功耗等优势结合在一起。FRAM产品包括各种接口和多种密度，像工业标准的串行和并行接口，工业标准的封装类型，以及4Kbit、16Kbit、64Kbit、256Kbit和1Mbit等密度。

FRAM凭借诸多特性，正在成为存储器未来发展方向之一。据了解，FRAM存储密度较低，容量有限，无法完全取代DRAM与NAND Flash，但在对容量要求不高、读写速度要求高、读写频率高、使用寿命要求长的场景中拥有发展潜力。FRAM可以应用于消费电子领域，比如智能手表、智能卡以及物联网设备制造中；汽车领域，比如高级驾驶辅助系统（ADAS）制造；工业机器人领域，比如控制系统制造等领域。

03、新型存储，势头渐起

除此之外，目前新型存储器主要还有PCM、MRAM、ReRAM存储器，以及DNA存储、Racetrack内存等诸多新兴技术，正在成为解决当前存储挑战的热门趋势之一。

PCM，相变存储器

PCM，Phase-change RAM，即相变存储器。

PCM的原理是通过改变温度，让相变材料在低电阻结晶（导电）状态与高电阻非结晶（非导电）状态间转换。

PCM原理图

PCM具有低延时、读写时间均衡、寿命长、功耗低、密度高、抗辐照特性好等优势，但其RESET后的冷却过程需要高热导率，会带来更高功耗，且由于其存储原理是利用温度实现相变材料的阻值变化，所以对温度十分敏感，无法用在宽温场景。

其次，为了使相变材料兼容CMOS工艺，PCM必须采取多层结构，因此存储密度过低，在容量上无法替代NAND Flash。除此之外，成本和良率也是瓶颈之一。

大家比较熟悉的Intel和Micron合作开发的3D XPoint技术，就是PCM的一种。

3D Xpoint技术在非易失存储器领域实现了革命性突破，虽然其速度略微比DRAM慢，但其容量却比DRAM高，比闪存快1000倍。但缺点也较为明显，3D Xpoint采用堆迭结构，一般是两层结构。因为堆迭层数越多，需要的掩模就越多，而在整个IC制造工业中，掩模板成本占比最大。因此，从制造的角度来说，要想实现几十层的3D堆迭结构非常困难。

一年多前，随着英特尔傲腾内存业务的关闭，3D XPoint内存技术也走到了尽头。

MRAM，磁性存储器

MRAM，Magnetic RAM，即磁性存储器，是一种基于隧穿磁阻效应的技术。

目前业内主流的MRAM技术是STT MRAM，使用隧道层的“巨磁阻效应”来读取位单元，当该层两侧的磁性方向一致时为低电阻，当磁性方向相反时，电阻会变得很高。

MRAM原理图

MRAM技术特点：

非易失：铁磁体的磁性不会由于断电而消失，MRAM具备非易失性；

读写次数无限：铁磁体的磁性不仅断电不会消失，而是几乎可以认为永不消失，MRAM和DRAM一样可以无限次重写；

写入速度快、功耗低：MRAM的写入时间可低至2.3ns，并且功耗极低，可实现瞬间开关机并能延长便携机的电池使用时间；

和逻辑芯片整合度高：MRAM单元可以方便地嵌入到逻辑电路芯片中，具备在逻辑电路上构造大规模内存阵列的潜力。

能看到，MRAM性能较好，但临界电流密度和功耗仍需进一步降低。目前MRAM的存储单元尺寸仍较大且不支持堆叠，工艺较为复杂，大规模制造难以保证均一性，存储容量和良率爬坡缓慢。在工艺取得进一步突破之前，MRAM产品主要适用于容量要求低的特殊应用领域，以及新兴的物联网嵌入式存储领域。

ReRAM，阻变存储器

ReRAM，Resistive Random Access Memory，即阻变存储器。

ReRAM是以非导性材料的电阻在外加电场作用下，在高阻态和低阻态之间实现可逆转换为基础的非易失性存储器。作为结构最简单的存储技术，ReRAM结构看上去像一个三明治，绝缘介质层（阻变层）被夹在两层金属之间，形成由上、下电极和阻变层构成金属-介质层-金属（MIM）三层结构。

ReRAM包括许多不同的技术类别，目前主流的技术路线主要有：氧空缺存储器OxRAM、导电桥存储器 CBRAM、金属离子存储器MeRAM以及纳米碳管CaRAM，通常是通过将金属离子或氧空位等导电元素移动到桥中，或者通过将它们从现有桥中移除，来表示1或者0。

ReRAM可以将DRAM的读写速度与SSD的非易失性结合于一身，具备速度快、耐久性高以及具备多位存储能力等特点。

从密度、能效比、成本、工艺制程和良率各方面综合衡量，ReRAM存储器在目前已有的新型存储器中具备明显优势。此外，ReRAM的材料需求种类和额外的光罩数量更少，可以实现更低的生产成本。同时，业界普遍认为ReRAM能够充分满足神经形态计算和边缘计算等应用对能耗、性能和存储密度的要求，预期将在AIoT、智能汽车、数据中心、AI计算等领域获得广泛的运用，被认为是实现存算一体的最佳选择之一。

DNA存储

为了寻找更高效能的存储载体，业界将目光对准到了自然界中遗传信息的载体DNA。

DNA存储是一种以生物大分子DNA作为信息载体的存储技术，具有容量大、密度高、能耗低和存储时间长等优点。

技术层面上来看，DNA存储已经被证明是可行的。

天津大学合成生物学团队曾创新了DNA存储算法，将十幅精选敦煌壁画存入DNA中，通过加速老化实验验证壁画信息在实验室常温下可保存千年，在9.4℃下可保存两万年。

这项技术不仅证实了DNA是可靠的存储介质，同时也使信息存储技术进入一个新时代。DNA存储技术更适用于存储重要且无需经常访问、调用的“冷数据”。“冷数据”在接近零能耗的情况下，理论上来看可保存千年以上。在未来DNA存储极有可能成为庞大冷数据存储的主要存储介质。

DNA存储是一个新兴的、多学科深度交叉融合的技术，近几年DNA存储的研究已经取得了一些突破。DNA 已经被研究人员用来以不同的方式管理数据，这些研究人员正在努力理解海量数据。但目前DNA存储技术的落地还存在一些技术难题，想要把实验室的样品变成市场上的产品，需要科研机构、高校、企业等通力合作。

04、新型存储迎来发展新契机

综合来看，新型内存技术已经出现几十年，目前发展到一个在更多应用中表现更重要的关键期。通过上述各种存储技术对比能看到，新型存储器优势明显，具备超强性能，延迟堪比内存，而且具备超长寿命及可靠性，耐高温等特性。

同时，随着市场和技术不断发展，AI、5G、IoT和工业4.0等使得数据量呈现爆炸式增长，全新的运算需求驱动存储朝更高容量、高读写次数、更快读写速度、更低功耗方向发展。

在当前的市场现状和境遇下，新型存储凭借颠覆性的技术创新路径，迎来了一次追赶传统存储技术的新机会。

据Objective Analysis报告数据显示，新型存储器已经开始增长，预计到2032年市场规模将会攀升至440亿美元，市场空间广阔。