闪存（Flash）的继承者们_【21ic电子网】

闪存（Flash）是目前主流的存储器件，不但全面占领各种便携计算设备，也开始进入数据中心。但是，厂商们依然不...

闪存（Flash）是目前主流的存储器件，不但全面占领各种便携计算设备，也开始进入数据中心。但是，厂商们依然不满足，他们觉得闪存还是不够完美，比如，延迟水平更高(特别是写入操作)，写入周期有限，无法寻址直接运行程序等等等等。

于是，他们砸下重金，希望找出一位合格的闪存接班人。在多年的努力下，终于有几个青年才俊站到了大家面前

FRAM（ferromagnetic random access memory）铁电存储器

FRAM使用铁电晶体材料—通常是氧化物—可以不需外界电场就能永久地改变电偶极矩(衡量极性分子极性角度的一个指标)。因此，它们是非易失性的。大量铁电材料同时形成纳米级的偶极子，在实验室中可以利用电场在直径只有几个纳米的区域中进行转换，这些区域被称为量子点。Celis半导体、Hynix、Macronix、英飞凌、Ramtron、三星电子、三洋、德州仪器和东芝一直在对FRAM加以研究。

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EEPROM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。

将FRAM与EEPROM做个比较。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。

MRAM(Magnetic Random Access Memory) 磁性随机存储器

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。

磁阻内存的概念几乎是和磁盘记录技术同时被提出来的。但是众所周知，内存读写的速度需要达到磁盘读写的速度的100万倍，所以不能直接使用磁盘记录技术来生产内存。磁阻内存的设计看起来并不复杂，但是对材料的要求比较高。直到1995年，摩托罗拉公司(后来芯片部门独立成为飞思卡尔半导体)演示了第一个MRAM芯片，并生产出了1MB的芯片原型。今年，美国公司Everspin已经开发出了256Mb的产品。

PRAM（phase change Random Access Memory）相变存储器

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。

相变存储器是一种非易失性存储器；其读写速度是NAND闪存的1000多倍，写入的次数约为NAND闪存的3～5倍；在不进行读、写操作时不消耗能源，很节能，功耗仅为NAND闪存的一半左右。 PCM相变存储器在写入数据之前不需要对待删除的数据进行标记（而NAND闪存在写入数据之前需要对待删除的数据进行标记，这样不仅降低了NAND闪存的性能，同时也增加了NAND闪存的损耗），所以PCM相变存储器写入的速度比NAND闪存快。

PRAM通常使用掺杂了碲化锑或碲化锗的硫族化合物来制造。单元的状态透过测量电阻的变化以电子方式读出。英特尔、意法半导体和Elpida公司已经在研究用于非挥发性内存的相变材料，所有这些公司都从Ovonyx公司得到了技术使用执照。Ovonyx公司使用碲化锑和碲化锗组成的硫族化合物合金作为相变材料。

ReRAM电阻式记忆体

ReRAM阻变随机存储器是一种基于阻值变化来记录存储数据信息的非易失性存储器（NVM）器件。它是以非导性材料的电阻在外加电场作用下，在高阻态和低阻态之间实现可逆转换为基础的非易失性存储器。作为阻变式存储器芯片一个重要的电子元件，忆阻器（memristor）的电阻会随外加电压的高低而改变。相比其它非易失性存储技术，RRAM是高速存储器。

ReRAM中的阻变元件一般采用简单的类似电容的金属-介质层-金属（MIM）结构，由两层金属电极包夹着一层介质材料构成。金属电极材料的选择可以是传统的金属单质，如Au、Pt、Cu、Al等，而介质层材料主要包括二元过渡金属氧化物、钙钛矿型化合物等。

目前，美国的一家科技公司在进行ReRAM的开发。这家名叫Crossbar的公司创建于2010年，总部在美国加州圣克拉拉。Crossbar 的产品采用了三层结构的设计——一个非金属底层电极，中间的无定形硅交换介质，还有最上层的金属电极。当电压施加至两电极时，它交换介质内会形成一定数量的电阻细丝，因此其电阻式可变换的。

这种新型存储技术能带来20倍的写入性能(140MB/s VS. 7MB/s)、10倍的可靠性和耐用性(125℃下十年VS. 85℃下一至三年)、1/20的功耗，而内核面积可以小一半还要多——官方数据是同样的25nm 8GB，NAND闪存需要167平方毫米，RRAM只需77平方毫米。

神秘的3D Xpoint

这项由Intel和美光联合开发的技术，一出生就变成了网红。英特尔与美光双方明确表示，3D XPoint的定位并不属于NAND或者DRAM技术的替代性方案。而且在此基础上，两家公司更多是在强调3D XPoint的具体应用范畴，其更接近于NAND而非DRAM。它应该成为一种补充性技术，旨在解决DRAM与NAND之间延迟水平与成本差异所带来的两难抉择。基本上，3D XPoint是计算机架构当中的一种新型层级，因为它既能够作为速度较慢的非易失性内存、亦可以作为速度更快的存储机制。

3D XPoint的工作原理与NAND存在着根本性的不同。NAND通过绝缘浮置栅极捕获不同数量的电子以实现bit值定义，而3D XPoint则是一项以电阻为基础的存储技术成果，其通过改变单元电阻水平来区分0与1。

3D XPoint的结构非常简单。它由选择器与内存单元共同构成，二者则存在于字线与位线之间(因此才会以‘交叉点’来定名)。在字线与位线之间提供特定电压会激活单一选择器，并使得存储单元进行写入(即内存单元材料发生大量属性变化)或者读取(允许检查该存储单元处于低电阻还是高电阻状态)。我猜测，写入操作要求具备较读取更高的电压，因为如果实际情况相反，那么3D XPoint就会面临着上在读取存储单元时触发大量材料变化(即写入操作)的风险。英特尔与美光双方并没有透露内部读取/写入的具体电压数值，不过根据我们得到的消息，其电压值应该低于NAND——后者需要利用约20伏电压来编写/擦除以创建出足够通过绝缘体的电场电子隧道。而这种较低的电压要求自然也能够使得3D XPoint拥有比DRAM以及NAND更低的运行功耗。

顾名思义，3D XPoint的存储单元可以以3D方式进行堆叠，从而进一步提升存储密度。

3D NAND在制造过程中首先加入沉积导电层，而后再在每一层之上添加绝缘材料。只有在全部层沉积完毕之后，整个“单元塔”才能以光刻方式进行定义，而后再在高纵横比蚀刻孔内填充通孔材料以实现各层内存储单元的彼此互通。相比之下，3D XPoint的每一层都需要进行光刻与蚀刻(即在各层之上重复同样的流程)，接下来再对下一层进行沉积。这种方式牺牲掉了3D NAND所带来的一部分经济优势(即光刻步骤较少)，但3D XPoint却同时带来了远高于纯光刻技术所能实现的出色存储密度。

这项技术目前还没有具体量产的时间，今年的IDF上，Intel 再次强调了3DxPoint闪存技术，准备在中国投入35亿美金。

好了，这就是闪存的继承者们，大家更看好哪位呢？