40 年來，我一直在關注替代和永續性記憶體技術。

早在 1980 年代，我們所有的半導體記憶體只有 SRAM、DRAM、EPROM 和（非快閃記憶體）EEPROM。在 1980 年代後期，當我第一次從工程師轉變為電子出版物的編輯時，我撰寫了兩家位於科羅拉多斯普林斯的公司提供的新興、低容量、永續性記憶體：Ramtron 生產的鐵電儲存器 (FRAM)，以及 Simtek 生產的帶有 SRAM 影子記憶體陣列的 SONOS 快閃記憶體。Ramtron 已經不復存在，但 FRAM 仍在發揮作用，賽普拉斯於 2008 年收購了 Simtek。（英飛凌於 2020 年收購了賽普拉斯。）

東芝於 1987 年開始生產快閃記憶體，該技術在 20 世紀 90 年代真正流行起來。如今，快閃記憶體 EEPROM 廣泛用於板載和片上程式碼和資料儲存，而 DRAM 已發展成為 SDRAM，它簡化了與 RAM 儲存相關的一些事情（例如 RAS/CAS 時序和重新整理週期），但也大大簡化了其他事情，例如需要在電路板上使用長度匹配的高速走線。

在過去十年左右的時間裡，出現了更新的替代和永續性記憶體技術，包括更新的 FRAM、磁性 RAM (MRAM)、電阻式儲存器 (ReRAM) 和相變儲存器 (PCM)。所有這些技術都在競相成為持久儲存級記憶體 (SCM) 的主流——這是計算機記憶體領域長期以來尋求的聖盃。

1 月份，記憶體專家Tom Coughlin和 Jim Handy提供了關於替代記憶體開發的最新狀態報告，並就這些替代記憶體在嵌入式和更傳統的計算機記憶體應用中的使用提供了一些新穎的見解。

Coughlin 首先討論了片上應用（特別是微控制器）中使用的記憶體型別。這些無處不在的裝置通常使用 NOR 快閃記憶體來儲存程式碼和不變的資料，並且它們包含一個相對較小的片上 SRAM 塊來儲存易失性資料。據 Coughlin 介紹，NOR 快閃記憶體單元在 28nm 時停止擴充套件，因為這是最後一個平面 FET 工藝節點。FinFET 電路沒有 NOR 快閃記憶體單元。因此，為了讓微控制器利用較小的半導體制造節點，晶片製造商將需要使用其他形式的非易失性記憶體來儲存程式碼。

Coughlin 表示，這裡有三種可能性。首先，半導體供應商可以在同一晶片上結合 FinFET 邏輯電路和平面 NOR 快閃記憶體。這種解決方案在經濟上不可行，尤其是對於微控制器等相對低成本的部件而言，因為整個晶片將經過整個先進的半導體工藝，這比使用舊工藝節點製造晶片的成本要高得多。

第二種選擇是使用外部快閃記憶體來儲存程式碼。該解決方案也存在嚴重的缺點，因為它採用了成本更高的雙晶片解決方案，並且會給微控制器的封裝設計帶來額外的負擔，因為這些額外的引腳需要與外部儲存器進行通訊。請注意，大多數 FPGA 通常使用外部序列快閃記憶體來儲存配置，但 FPGA 有數百或數千個 I/O 引腳。它們的成本比微控制器高得多，並且用於構建更大、更昂貴的系統。因此，在基於 FPGA 的系統中增加額外的配置 EEPROM 的缺點並沒有那麼嚴重。

此外，採用這種方法並使用外部序列快閃記憶體的基於微控制器的系統需要將程式碼從外部快閃記憶體移至片上 SRAM 以實現可接受的執行效能，這將需要額外的片上 SRAM 容量。這也推高了微控制器晶片的成本，尤其因為片上 SRAM 的擴充套件速度不如 FinFET 工藝中的邏輯快，如下圖所示。因此，從效能角度來看，這種替代方案不僅成本更高，而且技術上也更差。

剩下的第三種選擇是使用完全不同的片上儲存技術。替代的非易失性儲存器的候選者包括上面列出的大多數儲存器技術：FRAM、MRAM 和 ReRAM，而首批具有這些型別儲存器的微控制器已經開始出現。

恩智浦和臺積電宣佈合作，將於 2023 年為汽車市場開發基於 MRAM 的微控制器。德州儀器的 MSP430FR57xx 系列在其片上非易失性儲存器中使用了多達 16 KB 的 FRAM。瑞薩去年在 ISSCC 上討論了一款帶有 10.8 Mbits 片上 MRAM 的實驗性微控制器，用於非易失性儲存。同樣在 2024 年，新唐科技宣佈推出基於 Arm 的 Cortex-M23 處理器核心的 M2L31 微控制器，該微控制器集成了多達 512 KB 的 ReRAM，用於片上非易失性儲存。

這些使用替代型別的非易失性片上儲存器的早期實驗預示著未來的發展。隨著臺積電等代工廠為其 ASIC 和 ASSP 客戶提供 MRAM 和 ReRAM 等工藝增材，我預計未來會出現更多此類裝置。

演講進行到這一步，Jim Handy 開始深入討論這些新的非易失性儲存器技術。Handy 仔細研究了自 1970 年代以來支援半導體發展的關鍵基礎儲存器工藝技術。NAND 快閃記憶體是非易失性儲存的支柱，但在 15nm 的微縮方面遇到了瓶頸。因此，NAND 快閃記憶體晶片製造商被迫透過開發 3D 變體 NAND 快閃記憶體來垂直髮展。

自 2007 年 3D NAND 晶片開始出現以來（東芝再次引領潮流），層數一直在增加。去年，SK 海力士宣佈推出一款層數高達 321 層的 3D NAND 快閃記憶體晶片。然而，Handy 指出，即使採用 3D NAND 儲存單元，NAND 快閃記憶體晶片在 10nm 左右也會停止微縮。與此同時，自 1990 年代 DRAM 製造商推出溝槽電容器以來，DRAM 單元基本上一直是 3D 單元，因此這些單元在工藝微縮方面同樣受到限制。

這些多維度的限制迫使晶片製造商考慮替代的記憶體技術，這些技術確實為未來的裝置擴充套件帶來了希望。然而，將這些記憶體技術推向主流的早期嘗試並不順利。英特爾和美光聯合開發了一項 PCM 技術，英特爾稱之為 Optane，美光稱之為 3D XPoint。美光於 2021 年停止了 3D XPoint 的開發，英特爾於 2022 年停止了 Optane。英特爾/美光 PCM 技術嘗試失敗了，因為與 NAND 快閃記憶體和 DRAM 相比，製造這些裝置的成本太高。然而，Handy 表示，由於包括 PCM 在內的這些記憶體技術可以分層在半導體邏輯之上，因此隨著晶片不斷縮小，它們可能變得具有經濟可行性，因為構建在邏輯電路之上的記憶體陣列不會增加晶片的整體尺寸，因此可以降低製造成本。

Handy 指出，所有這些替代的非易失性儲存器技術都具有一些吸引人的特性。

首先，它們具有抗輻射性，這對於某些用途（例如太空和軍事應用）非常有用。太空中存在大量輻射，因此在高輻射環境中不會丟失資料的儲存器具有很高的價值。此外，所有這些替代的非易失性儲存器技術的寫入速度都比快閃記憶體快得多，並且它們都是位元組可寫的，這又帶來了兩個優點，因為當您不需要擦除和寫入整個頁面時，系統性能會提高；您只需更新一兩個位元組即可。

Handy 表示，這些技術都可以擴充套件到 28nm 以上，因此他預計成本結構只會有所改善。從負面來看，這些新儲存器技術需要使用創新材料，“這實際上只是交易的殺手”，Handy 說。

在演講的最後，Handy討論了將這些新儲存器引入主流使用的“非常粗略”的時間表。他對未來 20 年的預測時間表如下圖所示。

MRAM 已用於助聽器和 AR 眼鏡等嵌入式應用。不過，Handy 認為，這些替代記憶體技術還需要十年左右的時間才能取代嵌入式應用中的快閃記憶體和 SRAM，因為微控制器的發展速度並不是很快。經濟因素並不能推動微控制器的擴充套件。

Handy 預計，相對於嵌入式應用，外部 NAND 快閃記憶體晶片和 SDRAM 的成本結構將推遲獨立記憶體晶片中替代記憶體技術的使用。然而，Handy 預測，當過渡開始時，它將發生得更快，因此在嵌入式應用發生相同過渡後不久，轉換將完成。Handy 預計記憶體晶片也將發生相同的過渡，但由於整個行業採用晶片的速度相對較慢，最初的延遲會更大。同樣，除了以效能為目標的系統外，經濟因素還不足以迫使人們使用晶片。

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