存储器产业狂想曲

2009年12月21日 16:12    李宽
关键词: 存储器 , 狂想曲
任何技术的成功都应该在距它首次应用多年后才能衡量,而不是在刚走出开发实验室之时。许多技术先进的产品失败了,也有许多较简单的产品在许多年内取得了巨大收入。对任何新兴技术未来的预测都要求在新产品提供的较少量信息和类似产品的纯历史角度基础上进行,不能寄希望于预测未来事件和人类行为。只有时间能检验一切。

在实验室和在新闻报道中对所谓的通用存储器的讨论也许已经有10年时间了。虽然10年时间看来起不算长,但在半导体世界中已经非常漫长。你想,1999年256MB的DRAM还是高端产品,250nm逻辑工艺如果算不上非常尖端的技术也是前沿工艺技术。在消费产品中,苹果刚在iMac系列电脑中删除1.44MB的软驱,Iomega的 100MB Zip驱动器就已经非常流行了。当时USB驱动器刚刚推出,容量在8MB左右,与任何新技术一样价格很贵。(现在,4GB的U盘和传统的铅笔和尺子一样已经成为六年级学生的必备文具用品)

以上对存储器发展之路的回顾不仅仅是怀旧之心使然。还在Zip驱动器全盛时期,三种“第一轮”竞争技术——PCRAM、MRAM和FeRAM——就已被认为是通用存储器的候选技术。但直到今天,对候选技术的争论仍然没有停止。

相变RAM(PCRAM,或Numonyx公司现在简称的PCM)最终问世了。在2009年11月5日发表的Chipworks反向工程博客贴上出现了这个词组:期待已久的相变存储器(PCM)。这个词组很好地表达了PCRAM漫长的市场之旅。但是,考虑到近年来激进的营销和有关PCM的新闻覆盖,博主也许要再加上“更多期待”这个词。

如果没有忘记的话,1970年相变内存还有一个别名,叫奥弗辛斯基电效应统一存储器,当时256位版本曾出现在电子期刊封面上。现在,你也可能看到PRAM这个单词,它隐含意味着PCRAM是一种“完美”的RAM。

Chipworks对Nymonyx PCRAM的反向工程分析证明,PCRAM产品终于成功了。存储器阵列的横截面表明,PCRAM单元似乎由至少一个“上层”硅化触点和一层压缩在势垒层内的相变材料组成。这种结构位于钨插件的顶部。

查看有关PCRAM的一些早期专利可以发现,Intel公司可能倾向于阻性加热,其相变材料的形状由侧壁间隔层定义。事实上,美国专利号7049623描述了由气孔和侧壁间隔层定义的相变材料形状。相变材料再被上电极和下电极连接。

总之,采用更高分辨率的传输电极显微镜和化学分析方法对实际PCM单元结构进行全面分析后就能了解任何已发布专利的相关信息。

大约今年9月底,三星公司发布了512Mb的器件。这个容量强调说明PCRAM将冲击更高位密度的存储器市场。三星公司暗示在NOR闪存插座中使用PCRAM可以节省20%的功耗。

在所有第一轮候选技术中,PCRAM可能获得过最多的关注(包括本文),尽管它是最后一个开发出来。

磁阻RAM是第二个跳出龙门的,最早是2005年飞思卡尔推出的器件。虽然MRAM不再位列新闻稿头条,但曾在半导体世界引起强烈反响。许多人希望MRAM能够“什么都做”,包括用作微控制器的片上缓存。毕竟这只是一种交叉器件,可以用于在布线层之间交叉处的后端处理。

但是,MRAM从未在空间应用之外使用过,或作为电池供电SRAM的替代品。再从商业角度看,赛普拉斯公司在2005年2月就想出售其MRAM部门,飞思卡尔公司则在2008年6月分出MRAM部门成立了Everspin公司。目前,Everspin供应市场的器件容量最高达16Mb,公司网站只介绍了独立的存储器产品。

MRAM已经取得了很大的成功:它的防幅射性能使得它成为卫星和其它空间应用的首选SRAM替代品。但MRAM仍无法满足通用存储器要求,这可能鼓励存储器行业寻找另一种能够担当这个角色的存储器技术。

在经过15分钟长时间的聚光灯照射后,铁电RAM自认为是通用存储器竞争中的姣姣者。由于缺乏可扩展性,FeRAM早期曾被多次抛弃过。毕竟存储器领域的下一件大事是需要替代已经达Gb容量的闪存。目前最高密度的FeRAM还在Mb范围,比如Ramtron公司推出的8Mb独立存储器。

具有讽刺意味的是,FeRAM在过去10年中一直在商用化生产,并且获得了第一轮侯选技术中最高的收入。

位密度不是FeRAM(或MRAM)的特长。FeRAM资深公司Ramtron和富士通都能提供独立和嵌入式存储器产品,而且嵌入式应用可能有很好的结果。富士通已经将FeRAM集成进RFID产品中多年了,而Ramtron推出的控制器用于数据采集设备。大约七年前,TI公司宣布开发FeRAM,作为系统级芯片中的SRAM替代品。

FeRAM和MRAM已经深入到大量低位密度应用和市场空间。智能电表、打印机墨盒和工控机就是很好的三个例子。对它们的一般要求是快速写入和高的写入可靠性,在这方面闪存器件和传统的E2PROM都无法胜出。让人特别感兴趣的一种新兴应用是非易失性寄存器。这真的会是向瞬子计算机迈出的前几步吗?

位密度当然是NAND闪存的过人之处。展望未来,重要的是要记住 NAND闪存的位密度将以惊人的速度提高。即使是今天,Intel和Micron Technology已经发布32Gb、3位/单元的器件。这些器件采用先进的34nm工艺节点制造。得益于对NAND闪存的巨额投资和推动而大幅提高的这种位密度肯定会使任何试图充当通用存储器的创新技术面临重重困难。

另一方面,闪存世界也不是十全十美。在今年夏天举行的闪存高峰会议上,许多人表示了高度的关注,从SanDisk创始人Eli Harari对NAND闪存业务模型的评价,到Sun闪存技术专家Michael Cornwell对企业消费者对NAND闪存需求的展望。也许闪存到25nm以后将接近极限。

即使十年以后,我们也有把握认为第一轮候选技术并不能实现通用存储器,不管是写可靠性、写速度还是位密度方面的原因。同时,第一轮技术的演变可能已经造成非易失性、然后是通用存储器市场中的分歧。目前在低位密度技术和高位密度器件之间有明显的分化。

闪存已经开启一个位密度攀升的信道,这将使第一轮技术几乎不可能跟上。第一轮候选技术要想跟上目前的闪存密度,必须缩放到更精细的工艺尺寸。同时,让闪存保持跟踪缩放曲线也变得越来越昂贵。保持最小可靠性标准也变得更具挑战性。

经过十年多的开发,目前有三种“新的”非易失性存储技术,并且还有多种新的想法从实验室冒出来。来自Crocus Technologies、Grandis和Unity Semiconductor的概念就是三个很好的例子。

今年5月公开自己身份的Unity公司似乎把矛头直接指向NAND闪存替代品。搜索美国专利与商标办公室的数据库可以发现,Unity公司正在积极寻求专利保护。80份公开申请已分配给Unity。一份批准的专利(专利号6753561)讨论了交叉点存储器的结构。其中的图片描绘了位于两个传导阵列线之间的七层“内存插件”。在这个插件中,复杂的金属氧化物(CMO)组成了内存单元。这可能是值得期待的下一种技术。

新闻稿册数的多少并不能表明未来产品能否取得成功。专家的意见也好不到哪儿去。首先应该是市场的反应,但即使这个也不能保证产品成功。真正的检验只能经过许多年以后才能有结果。我们不要太短视,非要从非易失性存储器竞争者中选取赢家,但也许现在至少是不去想通用存储器概念的时候。

不要再考虑那些不切实际的目标了,新兴存储器公司,也许更重要的是他们的投资者,应该专注于如何最好地使用他们的创新技术。

放弃对旧市场的追逐吧,不管它有多么巨大。相反,要打起精神去寻找只能由你的发明开启的新市场。

作者:Paul Boldt和Don Scansen
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