开年大盘点——那些新材料新概念成就的创新存储技术

近十年来，在高速成长的非易失性存储器市场的推动下，业界一直在试图利用新材料和新概念发明一种更好的存储器技术，以替代闪存技术，更有效地缩小存储器，提高存储性能。目前具有突破性的存储技术有铁电RAM（FRAM）、磁性RAM（MRAM）、相变RAM（PRAM）或其他相变技术。本文将分别介绍这些技术的特点、比较和研发进展；最后重点介绍新一代FRAM存储产品的特点、优势和应用案例。

新一代存储技术的进展

MRAM是一种非易失性磁性随机存储器。它拥有静态随机存储器（SRAM）的高速读取写入能力及动态随机存储器（DRAM）的高集成度，基本上可以无限次重复写入。其设计原理非常诱人，它通过控制铁磁体中的电子旋转方向来达到改变读取电流大小的目的，从而使其具备二进制数据存储能力。MRAM的主要缺点是固有的写操作过高和技术节点缩小受限。为了克服这两大制约因素，业界提出了自旋转移矩RAM（SPRAM）解决方案，这项创新技术是利用自旋转换矩引起的电流感应式开关效应。尽管这一创新方法在一定程度上解决了MRAM的一些常见问题，但还有很多挑战等待研究人员克服，如自读扰动、写次数、单元集成等。目前，MRAM只局限于4Mb阵列180nm工艺的产品。另外，MRAM的生产成本也是个不小的问题。MRAM研发可分为三大阵营，除了东芝、海力士之外，三星电子也在进行研发。

PRAM是最好的闪存替代技术之一，能够涵盖不同非易失性存储器应用领域，满足高性能和高密度两种应用要求。它利用温度变化引起硫系合金（Ge2Sb2Te5）相态逆变的特性，利用电流引起的焦耳热效应对单元进行写操作，通过检测非晶相态和多晶相态之间的电阻变化读取存储单元。虽然这项技术最早可追溯到上个世纪70年代，但是直到最近人们才重新尝试将其用于非易失性存储器，采用相变合金的光电存储设备取得了商业成功，也促进了人们发现性能更优异的相变材料结构的研究活动，相变存储器证明其具有达到制造成熟度的能力。从应用角度看，PRAM可用于所有存储器，特别适用于消费电子、计算机、通信三合一电子设备的存储器系统。常用相变材料晶态电阻率和结晶温度低、热稳定性差，需要通过掺杂来改善性能。目前，人们也在寻找性能更加优良的相变材料，以最大限度地发挥PRAM的优越性。

FRAM是早在上个世纪90年代出现的一个概念，是一种随机存取存储器技术，已成为存储器家族中最有发展潜力的新成员之一。它使用一层有铁电性的材料取代原有的介电质，使得它也拥有像E2PROM一样的非易失性内存的优势，在没有电源的情况下可以保存数据，用于数据存储。FRAM具有高速、高密度、低功耗和抗辐射等优点。作为非易失性存储器，FRAM具有接近SRAM和DRAM这些传统易失性存储器的级别的高速写入速度，读写周期只要传统非易失性存储器的数万份之一，但读写耐久性却是后者的1000万倍，达到了10万亿次，可实现高频繁的数据纪录。目前，研发厂商正在解决由阵列尺寸限制带来的FRAM成品率问题，进一步提高存储密度和可靠性。今天，FRAM技术研发的主攻方向是130nm工艺的64Mb存储器。

目前，富士通半导体集团控制着FRAM的整个生产程序；在日本有芯片开发和量产及组装设施。富士通半导体公司可保证FRAM产品的高质量、高可靠性和稳定供应，15年来一直在提供FRAM产品。

富士通半导体FRAM的主要特点和优势

FRAM是一种非易失性存储器，结合了随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）的优势，广泛应用于物联网、医疗电子、消费电子、工业电子等几乎所有行业。富士通半导体的FRAM产品以其"多、快、省"的特点在业界独树一帜，有助于解决应用瓶颈，促进产品创新。"多"是指FRAM的高读写耐久性（10万亿次）的特点，可以频繁记录操作历史和系统状态；"快"是指FRAM的高速烧写（EEPROM的30000倍）的特性，可以帮助系统设计者解决突然断电丢失数据的问题；"省"是指FRAM超低功耗（EEPROM的1/1，000）的特性，特别是写入时无需升压。通过图1的对比，可以发现富士通半导体FRAM相对于EEPROM的的性能优势。

图1：富士通半导体FRAM和EEPROM的性能对比

将照相机实拍的一张照片分别存储到EEPROM和FRAM中，直观比较图像数据写入过程中EEPROM和FRAM的性能差异。在此演示中，使用并口传输数据，FRAM存储数据用了约0.19秒，而EEPROM用了约6.23秒；FRAM存储数据的比特率约为808kB/s，而EEPROM存储数据的比特率约为24kB/s；功耗方面，FRAM约为0.4mW，而EEPROM约为61.7mW。FRAM的快速读写和超低功耗特性显而易见。此外，相比其他传统存储器，FRAM也在性能上更胜