【導讀】為了挑戰現有的技術，新型非易失性存儲器（NVMs）尋找仍在繼續，但是任何技術被接受之前，它必須被證明是可靠的。
為了挑戰現有的技術，新型非易失性存儲器（NVMs）尋找仍在繼續，但是任何技術被接受之前，它必須被證明是可靠的。
Fujitsu高級營銷經理TongSwan Pang說，“每個人都在尋找一種通用的存儲器。不同的技術有不同的可靠性挑戰，并不是所有的技術都能在汽車0級應用中運行。”
這些新技術中的大多數都屬于存儲級內存（SCM）。它們適用于大容量存儲技術（如NAND 閃存）和工作存儲器（如DRAM）。至少有四種非易失性存儲技術在競爭，其中一些已經取得了一些商業上的成功，而且似乎沒有一種技術能夠以犧牲其他技術為代價成為最終的贏家。與閃存相比，這些存儲器的特點是讀寫操作更簡單、速度更快，包括字節尋址能力。此外，讀寫趨向于對稱(或幾乎對稱)，與閃存形成鮮明對比。
閃存的替代品變得越來越有吸引力，特別是嵌入到系統芯片(SoCs)和微控制器(MCUs)中的存儲器。在28nm以下，由于需要高電壓、電荷泵和更多的掩模，閃存所增加的步驟變得更加昂貴。盡管一些公司已經突破了這一限制，但這種規模化似乎是不可持續的。內存分析師Jim Handy是Objective Analysis的總負責人，他提到NOR閃存（通常在嵌入時使用）似乎無法達到14nm。這增加了對使用系統電壓以及只需要2到3個附加掩膜來嵌入的技術的要求。
三個主要的新的候選者-外加一個
對于新的NVM產品，有三個主要的競爭者，盡管在早期階段還有更多的競爭者 (其中一些我們很快就會提到)。令人困惑的是，有些人把這三種存儲器都稱為“電阻式存儲器”，因為它們都涉及測量電阻的變化以確定狀態。
最古老的是相變存儲器（PCRAM/PCM）。這是一種古老的CD技術，涉及一種硫族化物材料，該材料在一個溫度下結晶，而在另一個溫度下會變成非晶態。兩種狀態有不同的電阻。通過將存儲單元升高到合適的溫度來對其進行編程。這是Intel和 Micron合作Optane “crosspoint”存儲器的技術。
圖1: PCRAM 存儲單元. 來源: 圖片來自于 Cyferz 英文維基百科
在商標中使用“crosspoint”一詞可能會造成混淆，因為這些存儲器中的任何一個都可以配置為crosspoint存儲器。它有一個由字線（word lines）和位線（bit lines）相互正交的簡單陣列-與SRAM類似，但不類似于閃存。當某些人提到crosspoint存儲器時，他們專門指的是英特爾產品。其他人則更廣泛地使用該術語。
下一代技術（也是最先進的一種存儲技術）是磁性隨機存儲器（MRAM）。我們在這里的重點將是當前的MRAM技術，稱為自旋轉移矩技術存儲器（STT-MRAM）。這涉及夾在隧道材料之間的兩個可磁化層，稱為磁性隧道結（MTJ）。其中一層（“固定”或“參考”層）具有固定的極性，另一層（“自由”層）的極性可以通過流過存儲單元的電流來設置。隧穿電流看到的電阻取決于固定層和自由層是否具有平行或反平行磁化。 MRAM已經以各種形式出現了一段時間。
圖2：MRAM存儲單元。圖片來源：Cyferz 維基百科（公共領域）
最后，還有阻式存儲器（RRAM/ReRAM），由于它們都是阻性技術，其名稱可能會造成混淆。 RRAM有兩種主要的類型-一種是電極中的材料遷移以在整個電介質上形成導電絲，另一種是氧離子和空位四處遷移以形成導電通路（或不形成）。這是一個更加完全開放的類別，需要通過大量實驗來找到最佳配方。
PDF Solutions（這家公司雖然不是一家存儲器供應商，但可以幫助供應商進行技術鑒定和評估，為他們揭露許多必須解決的低級別問題）高級研究員Tomasz Brozek說：“RRAM吸引人的地方是，存儲單元可選用的材料很豐富。”
圖3：概念性RRAM存儲單元狀態。資料來源：Adesto
所有這些技術的挑戰之一是編程機制具有一定的內在隨機性，而閃存或DRAM中沒有這種隨機性。將值寫入存儲單元可能會導致錯誤的值。這不是存儲單元本身的錯。它可能會在下一次完美編程。這是必須通過糾錯碼（ECC）之類的伴隨電路來緩解的問題。
Nantero還提供了一種更新的NVM技術，稱為NRAM。這是用碳納米管制成的（CNTs – NRAM中的N是“ 納米管”）。可編程的碳納米管（CNTs）形成松散的，無方向性的團塊，利用溫度（通過電流）或靜電，它們可以越過范德華極限而使這些碳納米管緊密結合在一起或分離得更遠，從而使它們在一側相互吸引或在另一側互相排斥。這使編程狀態穩定。在堆積在一起的狀態下，碳納米管相互接觸并導電。而在分離狀態下，它們不會如此。因此，電阻再次成為要讀取的參數。
圖 4: NRAM 存儲單元. 資料來源: Nantero
由于這些技術都是新技術，因此它們沒有面臨閃存已經具有的多級存儲單元的挑戰。無論是打開還是關閉，每個單元仍然代表一個位（bit）。多級存儲單元還允許使用中間值，例如，一個四級單元可以存儲兩位數據。最近，無論是閃存還是RRAM（都已嘗試使用其他方法），都已將其應用到極致，并將它們用作模擬存儲器，并且在單元中進行幾乎是連續的編程。這對于使用所謂的“內存中計算”的機器學習應用程序是有益的。
由于多級和模擬用途需要更高的編程和讀取精度，因此，Brozek說：“越來越多的存儲器正在使用寫入驗證”。這種方法嘗試寫入內存，然后退回并讀取，重復進行直到達到所需的級別。這會花費更長的時間，但會給出更精確的結果。
這些存儲器中的每一個都可以制成專用的大容量芯片，也可以嵌入到SoC或MCU中。作為大容量芯片，可以量身定制該工藝，以實現最高的良率和可靠性。但是，當嵌入時，它們必須盡可能與底層CMOS技術保持一致，從而使其每比特成本更高，但仍要求高可靠性。英特爾的Optane是大容量存儲器；尚不清楚該技術是否適合嵌入。 Brozek和Handy都將MRAM與NOR-flash作為嵌入式存儲器進行競爭。 RRAM是Adesto提供的一種大容量技術，而作為嵌入式技術也引起了廣泛的興趣。
NVM可靠性方面的考慮
作為NVM，除了考慮適用于所有集成電路外，所有這些技術均要與閃存共同考慮可靠性。數據的保留和耐用性尤其重要。對于諸如DRAM和SRAM這樣的易失性存儲器，這兩個都不是問題。具有諷刺意味的是，對于DRAM而言，這不是問題，是因為其數據保留時間如此之短，以至刷新電路是DRAM的基本要求，因此只要保持電源就不會造成數據丟失。通常，在這些新的NVM技術中，刷新被認為是不可取的（盡管有可能）。
數據保留率是一種規范，它指示存儲器在所有條件下（存儲或操作）將保持其內容多長時間。借助閃存技術，薄的電介質可以在讀寫條件下將電子傳遞到浮柵中。從理論上講，這些電子然后被困在浮柵中，沒有明顯的方式泄漏出來。但是，隨機電子可以通過超過能量勢壘的熱能或通過電介質隧穿而緩慢泄漏。如果有足夠的時間，足夠多的電子會泄漏出去，從而使存儲單元狀態退化。
每種NVM技術（新技術也不例外）都有一種逐漸泄漏數據的方式。因此，數據保留率成為存儲器將保留其內容一段時間的保證。此后，它的內容可能還會保留更長時間，但不能保證。十年一直是閃存的典型規格，盡管考慮到汽車的使用壽命長，汽車應用正在逐步淘汰該要求。
數據保留率與其他基本的NVM規范耐久性有關。每次對NVM進行編程時，可能會發生一些輕微的損壞。在閃存中，這是由于電子嵌入到將浮柵與電路其余部分分開的電介質中而導致的。也可能會出現加速電子從浮柵泄漏的缺陷。耐久性是指在數據保留率低于規格之前存儲器可被編程的次數。
從理論上講，可以對給定器件進行超出其耐久性的編程，它可能會繼續運行-但數據保留時間較短。但是，某些器件可能會計算編程周期，并阻止超出限制的編程。多年來，10,000個周期是閃存預期達到的極限。如今，越來越多的存儲器指定了100,000個周期的標準。
這些特性需要減輕存儲器外部的影響，以便最大程度地延長給定芯片的壽命。例如，如果數據集中在存儲器的下半部分，則這些單元可能會耗盡，而存儲器的上半部分基本上保持不變。那是對存儲單元的低效使用。損耗均衡是一種在存儲器外部施加的技術，它可以移動數據的位置以確保使用整個存儲器，從而延長了芯片的壽命。
但是損耗均衡不是萬能，Brozek指出，“你可以將損耗均衡用于大容量存儲，但不能用于[嵌入式]MCU NVM”，因為它主要用于存儲代碼，該代碼必須位于已知的固定位置。
所有這些考慮因素將適用于任何新的NVM技術。在大多數情況下，它們必須滿足閃存運行的級別，并且如果可能的話，需要超過它們。如果將耐久性提高了多個數量級，則不再需要進行損耗均衡，盡管該決定不在存儲器制造商的手中，而在系統設計者的控制之下。
當考慮可靠性時，Brozek說： “所有這些技術都是不理想的，您要對它們進行表征，并添加電路級工具來對其進行管理。一旦采取了緩解措施，就應該有一個抵消其內在問題的黑匣子。”
溫度等級
溫度越高，任何磨損機制都將越明顯。數據保留和耐久性規格假定高溫是恒定的，這意味著偶爾出現高溫且有間歇期的器件可能持續時間會更長。但是，沒有實際的方法來指定這種變化的溫度曲線，因此數據表指定了最壞的情況。
但是“高溫”是什么意思？多年來，有兩種級別的集成電路：商業級的溫度范圍為0至70°C；軍事級的溫度范圍為-55 – 125°C。這代表了兩個截然不同的業務，因為軍用級材料具有極其嚴格的要求。因此，一些公司或部門選擇專注于其中一項或多項業務。在某種程度上，也出現了工業級溫度范圍為-40 – 85°C的產品。盡管工業級產品的生產不像軍用級產品那樣困難，但它們仍傾向于將其應用領域與使用商業級IC的設備區分開來。
隨著汽車市場的出現，這種情況發生了變化，可以說它需要以商業水平的價格獲得軍事水平的堅固性。然而，實際上，并非車輛中的所有組件都必須在發動機附近的溫度下運行。因此，目前在汽車內使用五個溫度等級。這是一個根本性的變化，因為所有這些等級都可以在同一設備中找到。
圖5：汽車溫度等級。溫度是環境溫度。數字來源：AEC Q100標準
KLA產品市場經理Meng Zhu表示：“由于電子的熱能變化，溫度通常是影響電子器件的重要因素。”對于諸如MCU或高速緩存之類的MRAM應用，通常要求工作溫度范圍在-40°C至125°C之間。較高的環境溫度可能會由于各向異性勢壘上方的磁躍遷而導致數據保留問題，并會由于隧穿磁阻（TMR）的降低而影響器件的可讀性。用于MRAM制造的所有熱處理工藝也都需要得到良好控制。退火工藝步驟用于改善MgO / CoFeB層的結晶度，從而增強各向異性和TMR。另一方面，過多的熱預算會導致MRAM層之間的原子相互擴散，降低器件性能。例如，Ta擴散進入MgO勢壘中可能會降低MgO的結晶度，而B擴散到CoFeB外可能會改變垂直各向異性并影響TMR。”
一個令人驚訝的溫度考慮因素是回流焊接。正如GlobalFoundries嵌入式存儲器高級總監Martin Mason所描述的那樣，每個芯片都應能夠承受五種不同的回流焊接。前兩種發生在最初將芯片安裝在板上時–一個用于表面安裝，另一個用于同一板上的通孔組件。如果需要返工，那么將有一個以上的設備來移除任何有故障的單元，然后最多有兩個來更換那些單元。
每個焊接周期都需要將溫度升高到220至270°C并持續10至15分鐘，據Adesto創始人兼存儲器工程副總裁Shane Hollmer所說：“這些技術中的許多技術都在熱穩定性和數據保留方面作了努力。”這對于那些在芯片測試中編寫程序，之后組裝到電路板上的設備來說是個問題。
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