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【導(dǎo)讀】為了挑戰(zhàn)現(xiàn)有的技術(shù)，新型非易失性存儲(chǔ)器（NVMs）尋找仍在繼續(xù)，但是任何技術(shù)被接受之前，它必須被證明是可靠的。
為了挑戰(zhàn)現(xiàn)有的技術(shù)，新型非易失性存儲(chǔ)器（NVMs）尋找仍在繼續(xù)，但是任何技術(shù)被接受之前，它必須被證明是可靠的。
Fujitsu高級(jí)營(yíng)銷經(jīng)理TongSwan Pang說，“每個(gè)人都在尋找一種通用的存儲(chǔ)器。不同的技術(shù)有不同的可靠性挑戰(zhàn)，并不是所有的技術(shù)都能在汽車0級(jí)應(yīng)用中運(yùn)行。”
這些新技術(shù)中的大多數(shù)都屬于存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存（SCM）。它們適用于大容量存儲(chǔ)技術(shù)（如NAND 閃存）和工作存儲(chǔ)器（如DRAM）。至少有四種非易失性存儲(chǔ)技術(shù)在競(jìng)爭(zhēng)，其中一些已經(jīng)取得了一些商業(yè)上的成功，而且似乎沒有一種技術(shù)能夠以犧牲其他技術(shù)為代價(jià)成為最終的贏家。與閃存相比，這些存儲(chǔ)器的特點(diǎn)是讀寫操作更簡(jiǎn)單、速度更快，包括字節(jié)尋址能力。此外，讀寫趨向于對(duì)稱(或幾乎對(duì)稱)，與閃存形成鮮明對(duì)比。
閃存的替代品變得越來越有吸引力，特別是嵌入到系統(tǒng)芯片(SoCs)和微控制器(MCUs)中的存儲(chǔ)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(jīng)突破了這一限制，但這種規(guī)模化似乎是不可持續(xù)的。內(nèi)存分析師Jim Handy是Objective Analysis的總負(fù)責(zé)人，他提到NOR閃存（通常在嵌入時(shí)使用）似乎無法達(dá)到14nm。這增加了對(duì)使用系統(tǒng)電壓以及只需要2到3個(gè)附加掩膜來嵌入的技術(shù)的要求。
三個(gè)主要的新的候選者-外加一個(gè)
對(duì)于新的NVM產(chǎn)品，有三個(gè)主要的競(jìng)爭(zhēng)者，盡管在早期階段還有更多的競(jìng)爭(zhēng)者 (其中一些我們很快就會(huì)提到)。令人困惑的是，有些人把這三種存儲(chǔ)器都稱為“電阻式存儲(chǔ)器”，因?yàn)樗鼈兌忌婕皽y(cè)量電阻的變化以確定狀態(tài)。
最古老的是相變存儲(chǔ)器（PCRAM/PCM）。這是一種古老的CD技術(shù)，涉及一種硫族化物材料，該材料在一個(gè)溫度下結(jié)晶，而在另一個(gè)溫度下會(huì)變成非晶態(tài)。兩種狀態(tài)有不同的電阻。通過將存儲(chǔ)單元升高到合適的溫度來對(duì)其進(jìn)行編程。這是Intel和 Micron合作Optane “crosspoint”存儲(chǔ)器的技術(shù)。
圖1: PCRAM 存儲(chǔ)單元. 來源: 圖片來自于 Cyferz 英文維基百科
在商標(biāo)中使用“crosspoint”一詞可能會(huì)造成混淆，因?yàn)檫@些存儲(chǔ)器中的任何一個(gè)都可以配置為crosspoint存儲(chǔ)器。它有一個(gè)由字線（word lines）和位線（bit lines）相互正交的簡(jiǎn)單陣列-與SRAM類似，但不類似于閃存。當(dāng)某些人提到crosspoint存儲(chǔ)器時(shí)，他們專門指的是英特爾產(chǎn)品。其他人則更廣泛地使用該術(shù)語。
下一代技術(shù)（也是最先進(jìn)的一種存儲(chǔ)技術(shù)）是磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）。我們?cè)谶@里的重點(diǎn)將是當(dāng)前的MRAM技術(shù)，稱為自旋轉(zhuǎn)移矩技術(shù)存儲(chǔ)器（STT-MRAM）。這涉及夾在隧道材料之間的兩個(gè)可磁化層，稱為磁性隧道結(jié)（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(chǔ)單元的電流來設(shè)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(jīng)以各種形式出現(xiàn)了一段時(shí)間。
圖2：MRAM存儲(chǔ)單元。圖片來源：Cyferz 維基百科（公共領(lǐng)域）
最后，還有阻式存儲(chǔ)器（RRAM/ReRAM），由于它們都是阻性技術(shù)，其名稱可能會(huì)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(gè)電介質(zhì)上形成導(dǎo)電絲，另一種是氧離子和空位四處遷移以形成導(dǎo)電通路（或不形成）。這是一個(gè)更加完全開放的類別，需要通過大量實(shí)驗(yàn)來找到最佳配方。
PDF Solutions（這家公司雖然不是一家存儲(chǔ)器供應(yīng)商，但可以幫助供應(yīng)商進(jìn)行技術(shù)鑒定和評(píng)估，為他們揭露許多必須解決的低級(jí)別問題）高級(jí)研究員Tomasz Brozek說：“RRAM吸引人的地方是，存儲(chǔ)單元可選用的材料很豐富。”
圖3：概念性RRAM存儲(chǔ)單元狀態(tài)。資料來源：Adesto
所有這些技術(shù)的挑戰(zhàn)之一是編程機(jī)制具有一定的內(nèi)在隨機(jī)性，而閃存或DRAM中沒有這種隨機(jī)性。將值寫入存儲(chǔ)單元可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的值。這不是存儲(chǔ)單元本身的錯(cuò)。它可能會(huì)在下一次完美編程。這是必須通過糾錯(cuò)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(shù)，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(tuán)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(jié)合在一起或分離得更遠(yuǎn)，從而使它們?cè)谝粋?cè)相互吸引或在另一側(cè)互相排斥。這使編程狀態(tài)穩(wěn)定。在堆積在一起的狀態(tài)下，碳納米管相互接觸并導(dǎo)電。而在分離狀態(tài)下，它們不會(huì)如此。因此，電阻再次成為要讀取的參數(shù)。
圖 4: NRAM 存儲(chǔ)單元. 資料來源: Nantero
由于這些技術(shù)都是新技術(shù)，因此它們沒有面臨閃存已經(jīng)具有的多級(jí)存儲(chǔ)單元的挑戰(zhàn)。無論是打開還是關(guān)閉，每個(gè)單元仍然代表一個(gè)位（bit）。多級(jí)存儲(chǔ)單元還允許使用中間值，例如，一個(gè)四級(jí)單元可以存儲(chǔ)兩位數(shù)據(jù)。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(yīng)用到極致，并將它們用作模擬存儲(chǔ)器，并且在單元中進(jìn)行幾乎是連續(xù)的編程。這對(duì)于使用所謂的“內(nèi)存中計(jì)算”的機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序是有益的。
由于多級(jí)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(chǔ)器正在使用寫入驗(yàn)證”。這種方法嘗試寫入內(nèi)存，然后退回并讀取，重復(fù)進(jìn)行直到達(dá)到所需的級(jí)別。這會(huì)花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間，但會(huì)給出更精確的結(jié)果。
這些存儲(chǔ)器中的每一個(gè)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(shí)現(xiàn)最高的良率和可靠性。但是，當(dāng)嵌入時(shí)，它們必須盡可能與底層CMOS技術(shù)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(chǔ)器；尚不清楚該技術(shù)是否適合嵌入。 Brozek和Handy都將MRAM與NOR-flash作為嵌入式存儲(chǔ)器進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。 RRAM是Adesto提供的一種大容量技術(shù)，而作為嵌入式技術(shù)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(shù)均要與閃存共同考慮可靠性。數(shù)據(jù)的保留和耐用性尤其重要。對(duì)于諸如DRAM和SRAM這樣的易失性存儲(chǔ)器，這兩個(gè)都不是問題。具有諷刺意味的是，對(duì)于DRAM而言，這不是問題，是因?yàn)槠鋽?shù)據(jù)保留時(shí)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(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。通常，在這些新的NVM技術(shù)中，刷新被認(rèn)為是不可取的（盡管有可能）。
數(shù)據(jù)保留率是一種規(guī)范，它指示存儲(chǔ)器在所有條件下（存儲(chǔ)或操作）將保持其內(nèi)容多長(zhǎng)時(shí)間。借助閃存技術(shù)，薄的電介質(zhì)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(jī)電子可以通過超過能量勢(shì)壘的熱能或通過電介質(zhì)隧穿而緩慢泄漏。如果有足夠的時(shí)間，足夠多的電子會(huì)泄漏出去，從而使存儲(chǔ)單元狀態(tài)退化。
每種NVM技術(shù)（新技術(shù)也不例外）都有一種逐漸泄漏數(shù)據(jù)的方式。因此，數(shù)據(jù)保留率成為存儲(chǔ)器將保留其內(nèi)容一段時(shí)間的保證。此后，它的內(nèi)容可能還會(huì)保留更長(zhǎng)時(shí)間，但不能保證。十年一直是閃存的典型規(guī)格，盡管考慮到汽車的使用壽命長(zhǎng)，汽車應(yīng)用正在逐步淘汰該要求。
數(shù)據(jù)保留率與其他基本的NVM規(guī)范耐久性有關(guān)。每次對(duì)NVM進(jìn)行編程時(shí)，可能會(huì)發(fā)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(zhì)中而導(dǎo)致的。也可能會(huì)出現(xiàn)加速電子從浮柵泄漏的缺陷。耐久性是指在數(shù)據(jù)保留率低于規(guī)格之前存儲(chǔ)器可被編程的次數(shù)。
從理論上講，可以對(duì)給定器件進(jìn)行超出其耐久性的編程，它可能會(huì)繼續(xù)運(yùn)行-但數(shù)據(jù)保留時(shí)間較短。但是，某些器件可能會(huì)計(jì)算編程周期，并阻止超出限制的編程。多年來，10,000個(gè)周期是閃存預(yù)期達(dá)到的極限。如今，越來越多的存儲(chǔ)器指定了100,000個(gè)周期的標(biāo)準(zhǔn)。
這些特性需要減輕存儲(chǔ)器外部的影響，以便最大程度地延長(zhǎng)給定芯片的壽命。例如，如果數(shù)據(jù)集中在存儲(chǔ)器的下半部分，則這些單元可能會(huì)耗盡，而存儲(chǔ)器的上半部分基本上保持不變。那是對(duì)存儲(chǔ)單元的低效使用。損耗均衡是一種在存儲(chǔ)器外部施加的技術(shù)，它可以移動(dòng)數(shù)據(jù)的位置以確保使用整個(gè)存儲(chǔ)器，從而延長(zhǎng)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(chǔ)，但不能用于[嵌入式]MCU NVM”，因?yàn)樗饕糜诖鎯?chǔ)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(shù)。在大多數(shù)情況下，它們必須滿足閃存運(yùn)行的級(jí)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(gè)數(shù)量級(jí)，則不再需要進(jìn)行損耗均衡，盡管該決定不在存儲(chǔ)器制造商的手中，而在系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的控制之下。
當(dāng)考慮可靠性時(shí)，Brozek說： “所有這些技術(shù)都是不理想的，您要對(duì)它們進(jìn)行表征，并添加電路級(jí)工具來對(duì)其進(jìn)行管理。一旦采取了緩解措施，就應(yīng)該有一個(gè)抵消其內(nèi)在問題的黑匣子。”
溫度等級(jí)
溫度越高，任何磨損機(jī)制都將越明顯。數(shù)據(jù)保留和耐久性規(guī)格假定高溫是恒定的，這意味著偶爾出現(xiàn)高溫且有間歇期的器件可能持續(xù)時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。但是，沒有實(shí)際的方法來指定這種變化的溫度曲線，因此數(shù)據(jù)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(jí)別的集成電路：商業(yè)級(jí)的溫度范圍為0至70°C；軍事級(jí)的溫度范圍為-55 – 125°C。這代表了兩個(gè)截然不同的業(yè)務(wù)，因?yàn)檐娪眉?jí)材料具有極其嚴(yán)格的要求。因此，一些公司或部門選擇專注于其中一項(xiàng)或多項(xiàng)業(yè)務(wù)。在某種程度上，也出現(xiàn)了工業(yè)級(jí)溫度范圍為-40 – 85°C的產(chǎn)品。盡管工業(yè)級(jí)產(chǎn)品的生產(chǎn)不像軍用級(jí)產(chǎn)品那樣困難，但它們?nèi)詢A向于將其應(yīng)用領(lǐng)域與使用商業(yè)級(jí)IC的設(shè)備區(qū)分開來。
隨著汽車市場(chǎng)的出現(xiàn)，這種情況發(fā)生了變化，可以說它需要以商業(yè)水平的價(jià)格獲得軍事水平的堅(jiān)固性。然而，實(shí)際上，并非車輛中的所有組件都必須在發(fā)動(dòng)機(jī)附近的溫度下運(yùn)行。因此，目前在汽車內(nèi)使用五個(gè)溫度等級(jí)。這是一個(gè)根本性的變化，因?yàn)樗羞@些等級(jí)都可以在同一設(shè)備中找到。
圖5：汽車溫度等級(jí)。溫度是環(huán)境溫度。數(shù)字來源：AEC Q100標(biāo)準(zhǔn)
KLA產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)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(duì)于諸如MCU或高速緩存之類的MRAM應(yīng)用，通常要求工作溫度范圍在-40°C至125°C之間。較高的環(huán)境溫度可能會(huì)由于各向異性勢(shì)壘上方的磁躍遷而導(dǎo)致數(shù)據(jù)保留問題，并會(huì)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(jié)晶度，從而增強(qiáng)各向異性和TMR。另一方面，過多的熱預(yù)算會(huì)導(dǎo)致MRAM層之間的原子相互擴(kuò)散，降低器件性能。例如，Ta擴(kuò)散進(jìn)入MgO勢(shì)壘中可能會(huì)降低MgO的結(jié)晶度，而B擴(kuò)散到CoFeB外可能會(huì)改變垂直各向異性并影響TMR。”
一個(gè)令人驚訝的溫度考慮因素是回流焊接。正如GlobalFoundries嵌入式存儲(chǔ)器高級(jí)總監(jiān)Martin Mason所描述的那樣，每個(gè)芯片都應(yīng)能夠承受五種不同的回流焊接。前兩種發(fā)生在最初將芯片安裝在板上時(shí)–一個(gè)用于表面安裝，另一個(gè)用于同一板上的通孔組件。如果需要返工，那么將有一個(gè)以上的設(shè)備來移除任何有故障的單元，然后最多有兩個(gè)來更換那些單元。
每個(gè)焊接周期都需要將溫度升高到220至270°C并持續(xù)10至15分鐘，據(jù)Adesto創(chuàng)始人兼存儲(chǔ)器工程副總裁Shane Hollmer所說：“這些技術(shù)中的許多技術(shù)都在熱穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)保留方面作了努力。”這對(duì)于那些在芯片測(cè)試中編寫程序，之后組裝到電路板上的設(shè)備來說是個(gè)問題。
PDF Solutions（普迪飛半導(dǎo)體技術(shù)有限公司）是一家為集成電路整個(gè)生命周期提供良率提升技術(shù)服務(wù)的領(lǐng)先供應(yīng)商，同時(shí)也是業(yè)內(nèi)頂級(jí)的半導(dǎo)體大數(shù)據(jù)解決方案專家。在公司成立近30年時(shí)間里，持續(xù)為全球客戶提供良率提升和數(shù)據(jù)分析方面的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)服務(wù)。針對(duì)中國(guó)大陸的半導(dǎo)體市場(chǎng)，PDF Solutions公司推出了基于云端部署的Exensio-Hosted半導(dǎo)體數(shù)據(jù)分析平臺(tái)。Exensio–Hosted是一款不需要任何IT維護(hù)的企業(yè)級(jí)的云端數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，它可以讓我們隨時(shí)隨地去訪問數(shù)據(jù)，并且可以做一些定制化的數(shù)據(jù)分析，快速的查找問題的根源。該平臺(tái)目前提供免費(fèi)賬號(hào)的注冊(cè)申請(qǐng)，方便芯片設(shè)計(jì)企業(yè)迅速掌握先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析手段。
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