十年來(lái)，在高速成長(zhǎng)的非易失性存儲(chǔ)器(NVM)市場(chǎng)的推動(dòng)下，業(yè)界一直在試圖利用新材料和新概念發(fā)明一種更好的存儲(chǔ)器技術(shù)，以替代閃存技術(shù)，更有效地縮小存儲(chǔ)器，提高存儲(chǔ)性能。目前具有突破性的存儲(chǔ)技術(shù)有鐵電RAM(FRAM)、磁性RAM(MRAM)、相變RAM(PRAM)或其他相變技術(shù)。本文將分別介紹這些技術(shù)的特點(diǎn)、比較和研發(fā)進(jìn)展。

新一代存儲(chǔ)技術(shù)顯現(xiàn)“多、快、省”特點(diǎn)

MRAM是一種非易失性磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器。它擁有靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)的高速讀取寫入能力及動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)的高集成度，基本上可以無(wú)限次重復(fù)寫入。其設(shè)計(jì)原理非常誘人，它通過(guò)控制鐵磁體中的電子旋轉(zhuǎn)方向來(lái)達(dá)到改變讀取電流大小的目的，從而使其具備二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。MRAM的主要缺點(diǎn)是固有的寫操作過(guò)高和技術(shù)節(jié)點(diǎn)縮小受限。

為了克服這兩大制約因素，業(yè)界提出了自旋轉(zhuǎn)移矩RAM(SPRAM)解決方案，這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)是利用自旋轉(zhuǎn)換矩引起的電流感應(yīng)式開(kāi)關(guān)效應(yīng)。盡管這一創(chuàng)新方法在一定程度上解決了MRAM的一些常見(jiàn)問(wèn)題，但還有很多挑戰(zhàn)等待研究人員克服，如自讀擾動(dòng)、寫次數(shù)、單元集成等。

目前，MRAM只局限于4Mb陣列180nm工藝的產(chǎn)品。另外，MRAM的生產(chǎn)成本也是個(gè)不小的問(wèn)題。MRAM研發(fā)可分為三大陣營(yíng)，除了東芝、海力士之外，三星電子也在進(jìn)行研發(fā)。

PRAM是最好的閃存替代技術(shù)之一，能夠涵蓋不同非易失性存儲(chǔ)器應(yīng)用領(lǐng)域，滿足高性能和高密度兩種應(yīng)用要求。它利用溫度變化引起硫系合金(Ge2Sb2Te5)相態(tài)逆變的特性，利用電流引起的焦耳熱效應(yīng)對(duì)單元進(jìn)行寫操作，通過(guò)檢測(cè)非晶相態(tài)和多晶相態(tài)之間的電阻變化讀取存儲(chǔ)單元。

從應(yīng)用角度看，PRAM可用于所有存儲(chǔ)器，特別適用于消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)、通信三合一電子設(shè)備的存儲(chǔ)器系統(tǒng)。常用相變材料晶態(tài)電阻率和結(jié)晶溫度低、熱穩(wěn)定性差，需要通過(guò)摻雜來(lái)改善性能。

目前，人們也在尋找性能更加優(yōu)良的相變材料，以最大限度地發(fā)揮PRAM的優(yōu)越性。

FRAM是一種隨機(jī)存取存儲(chǔ)器技術(shù)，已成為存儲(chǔ)器家族中最有發(fā)展?jié)摿Φ男鲁蓡T之一。它使用一層有鐵電性的材料取代原有的介電質(zhì)，使得它也擁有像EEPROM一樣的非易失性內(nèi)存的優(yōu)勢(shì)，在沒(méi)有電源的情況下可以保存數(shù)據(jù)，用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。FRAM具有高速、高密度、低功耗和抗輻射等優(yōu)點(diǎn)。

作為非易失性存儲(chǔ)器，F(xiàn)RAM具有接近SRAM和DRAM等傳統(tǒng)易失性存儲(chǔ)器級(jí)別的高速寫入速度，讀寫周期只有傳統(tǒng)非易失性存儲(chǔ)器的數(shù)萬(wàn)分之一，但讀寫耐久性卻是后者的1000萬(wàn)倍，達(dá)到了10萬(wàn)億次，可實(shí)現(xiàn)高頻繁的數(shù)據(jù)紀(jì)錄。

目前，廠商正在解決由陣列尺寸限制帶來(lái)的FRAM成品率問(wèn)題，進(jìn)一步提高存儲(chǔ)密度和可靠性。今天，F(xiàn)RAM技術(shù)研發(fā)的主攻方向是130nm工藝的64Mb存儲(chǔ)器。目前，富士通半導(dǎo)體集團(tuán)控制著FRAM的整個(gè)生產(chǎn)程序，在日本有芯片開(kāi)發(fā)和量產(chǎn)及組裝設(shè)施。

逐漸在物聯(lián)醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用

相對(duì)傳統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)，新一代存儲(chǔ)具備自身的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)。以FRAM為例，以“多、快、省”的特點(diǎn)在業(yè)界獨(dú)樹(shù)一幟，有助于解決應(yīng)用瓶頸，促進(jìn)產(chǎn)品創(chuàng)新。

“多”是指FRAM的高讀寫耐久性(10萬(wàn)億次)的特點(diǎn)，可以頻繁記錄操作歷史和系統(tǒng)狀態(tài);“快”是指高速燒寫特性，可以幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)者解決突然斷電丟失數(shù)據(jù)問(wèn)題;“省”是指FRAM超低功耗的特性，特別是寫入時(shí)無(wú)需升壓。

將照相機(jī)實(shí)拍的一張照片分別存儲(chǔ)到EEPROM和FRAM中，直觀比較圖像數(shù)據(jù)寫入過(guò)程中EEPROM和FRAM的性能差異?？梢园l(fā)現(xiàn)使用并口傳輸數(shù)據(jù)，F(xiàn)RAM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)用了約0.19秒，而EEPROM用了約6.23秒;FRAM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的比特率約為808kB/s，而EEPROM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的比特率約為24kB/s;功耗方面，F(xiàn)RAM約為0.4mW，而EEPROM約為61.7mW。FRAM的快速讀寫和超低功耗特性顯而易見(jiàn)。

過(guò)去幾年，富士通FRAM在中國(guó)的電力儀表(三相表和集中器)、工業(yè)控制、辦公設(shè)備、汽車音響導(dǎo)航儀器、游戲機(jī)、RFID、醫(yī)療器械及醫(yī)療電子標(biāo)簽等行業(yè)取得了可喜成績(jī)。其FRAM主要包括三大類(單體FRAM、RFID和內(nèi)嵌FRAM的認(rèn)證芯片)，在很多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了批量應(yīng)用，并促成了大量的創(chuàng)新應(yīng)用案例。

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