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各种新兴存储器比较

  • 林育中
现在各新兴存储器的发展各占区位,MRAM在嵌入式的应用站稳位置,PCM和ReRAM则往SCM方向发展。SEMI Association

新兴存储器(emerging memory)现在多指的是新的非挥发性存储器,最主要包括相变半导体(Phase Change Memory;PCM)、可变电阻式存储器(Resistive RAM;ReRAM)以及MRAM。这些新兴存储器目前都在竞争储存级存储器(Storage Class Memory;SCM)的核心位置。

有许多比较各种新兴存储器的基准指标,包括写入速度、功耗、耐久性、资料保存期限、可扩展性(scalability)等。但新兴存储器的材料、结构、甚至工作机制,都还在快速进展之中,单看这些数据并不能有较远的能见度。我学物理,喜欢从基础工作机制看起。

PCM利用硫化物(chalcogenide)-特别是Ge2Sb2Te5(GST) -的特性,加高温让它变成晶体(crystalline)或非晶(amorphous)状态-两种相。晶体相导电性高,通常代表状态「1」;非晶相导电性低,通常代表状态「0」。由于在常温下这两种相都是稳定的,就可以当非挥发性存储器。PCM也有用雷射来转换物质相态的方法。

ReRAM则是用过渡金属氧化物(Transition Metal Oxide;TMD)薄膜,譬如HfO2-这可是咱们工研院开发完成的技术,当成记忆单元。当氧化物上下的电极施加偏压超过临界值时,氧化物中的氧就会变成空隙(vacancy),氧离子和此空隙就可以像电子和电洞自由移动,形成高导电态。而这高、低导电态,就可以形成「1」与「0」。ReRAM的材料衆多,性能有可能再提高。

MRAM则是由磁穿坠结(Magnetic Tunnel Junction;MTJ)当记忆单元,此MTJ由二铁磁层:一自由层、一固定层,中间夹一层薄氧化层所形成,像三明治。当此二铁磁层的磁化方向相同,是低电阻态,代表「1」 ;此二铁磁层的磁化方向相反,是高电阻态,代表「0」。自由层的磁化方向可以由被极化的电流由所携带的自旋流(spin current)所翻转,这就是所谓的自旋转矩移转(Spin Torque Transfer;STT)。这个翻转磁矩的机制还在改进之中。

以前MRAM常被诟病的是其所需写入电流大、功耗大、写入速度慢。这个刻板印象可以试著从基础机制来判别。PCM和ReRAM的状态改变都牵涉到原子键结的断裂以及原子的重新排列,而MRAM的状态改变仅牵涉到原子中外层电子的自旋方向翻转,二者所需的能量有数量级的差别。

那么为什么以前MRAM需要那么高的写入电流?第一代的MRAM翻转磁矩用的方法是在导在线通过电流以产生磁场,以此磁场翻转磁矩。但是因为只有一小部份的磁场被真正用于翻转磁矩,效率不彰,所以能耗很大。现在的STT让电流的自旋直接通过铁磁层,直接作用效率高多了。

目前用于替代L3 cache的嵌入式MRAM,写入电流降至数十uA,写入速度10ns,已经可以满足需求了。但用STT机制来翻转磁矩,因为电子质量轻,转矩还是小。现在研究发展中的自旋轨域转矩(Spin Orbit Torque;SOT)产生力矩的是原子,原子较电子重多了,产生的力矩大,实验证据显示效率还可以有数量级的改进。

PCM与ReRAM还有一个隐忧。由于改变存储器状态牵涉到原子键结的断裂以及重组,每写一次,材料就受一次摧残,所以耐久性的表现略逊。

现在各新兴存储器的发展各占区位,MRAM在嵌入式的应用站稳位置,PCM和ReRAM则往SCM方向发展,ASML的SCM技术路标上的两个竞争者就是PCM和ReRAM,虽然现在ReRAM的实际容量还小。但是未来真正的决胜点,我认为是哪里一种新兴存储器能做到真正的3D制程,而不是cross-point,这样才有可能在价格上与3D NAND竞争,但这是后话了。

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任咨询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在于台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。