信息來(lái)源：億歐

傳統存儲器技術讓國内的(de)紫光(guāng)集團、合肥長(cháng)鑫、福建晉華三方人(rén)馬競相投入，以國産存儲芯片替代進口的(de)腳步如燎原之火，已難平息。

然另一支蟄伏近 20 年的(de)新式存儲器技術隊伍包括MRAM、PCRAM和(hé)ReRAM，受惠技術、材料、設備等環節的(de)關鍵突破，正邁向大(dà)規模量産的(de)路上，眼前，我們正處于見證存儲器曆史的(de)轉折點。

然而，這(zhè)個(gè)時(shí)間點，也(yě)是國内存儲器芯片突破“零”自制，邁向大(dà)規模生産的(de)前夕，新式存儲技術對(duì)于傳統存儲器 DRAM 、 3D NAND 、 SRAM 會帶來(lái)怎樣的(de)沖擊？是否會形成“取代”效應？

英特爾3D XPoint橫空出世，産業再燃希望

新式存儲器可(kě)分(fēn)爲獨立型産品，以及嵌入于邏輯工藝，用(yòng)于取代部分(fēn)傳統的(de)嵌入式快(kuài)閃存儲器 eFlash 技術，而在嵌入式技術上，趨勢已快(kuài)速成熟中。但用(yòng)于獨立型存儲器上，目前還(hái)有性能、成本的(de)問題待克服。

因此，新式存儲器無論是MRAM、PCRAM和(hé)ReRAM等，并不會沖擊到現在國内正如火如荼發展的(de)DRAM、3D NAND芯片産業，但對(duì)于一些應用(yòng)領域如雲計算(suàn)、物(wù)聯網帶動的(de)邊緣計算(suàn)，加入新式存儲器技術後，确實能讓整個(gè)産業的(de)發展如虎添翼。

圖 | 3D XPoint（來(lái)源：英特爾）

新式存儲器技術已經被提出将近 20 年，成熟之路是跌跌撞撞。直到 2015 年，英特爾的(de) 3D XPoint 技術橫空出世，被認爲是類似于 PCRAM 的(de)結構，整個(gè)新式存儲技術才算(suàn)是豁然開朗，之後幾年的(de)發展更是勢如破竹。

爲了(le)替新式存儲器産業添柴火，身爲全球半導體龍頭的(de)應用(yòng)材料針對(duì) MRAM 、 PCRAM 、ReRAM 推出兩款機台設備：Endura Clover MRAM 物(wù)理(lǐ)氣相沉積（PVD）機台，以及Endura Impulse 物(wù)理(lǐ)氣相沉積（PVD）機台，成爲推動該産業發展的(de)有力推手。

DeepTech 通(tōng)過與應用(yòng)材料兩位專家，分(fēn)别是應用(yòng)材料中國區(qū)事業部總經理(lǐ)兼首席技術官趙甘鳴博士，以及應用(yòng)材料金屬沉積産品全球産品經理(lǐ)周春明(míng)博士的(de)對(duì)話(huà)，來(lái)一窺新式存儲器将帶給這(zhè)個(gè)世界什(shén)麽樣的(de)變化(huà)，借此見證存儲産業的(de)曆史轉折。

在此，DeepTech 全景式分(fēn)析近期新式存儲器全面崛起的(de)關鍵原因，哪些大(dà)廠已開始量産，應用(yòng)原理(lǐ)和(hé)領域，以及爲産業帶來(lái)的(de)助益。

摩爾定律漸失效，新式存儲器接棒上戰場(chǎng)

1965 年問世的(de)摩爾定律至今已超過 50 年，爲全球電子産業寫下(xià)無數裏程碑曆史，但走到今天，依據該定律所設計和(hé)生産的(de)芯片在半導體最重視的(de)四大(dà)标準 PPAC（功耗 Power、性能 Performance、面積 Area、成本 Cost）都逐漸遞減。

很多(duō)物(wù)聯網、雲計算(suàn)所需要的(de)芯片，已是摩爾定律所無法提供的(de)，這(zhè)是爲什(shén)麽？

在“萬物(wù)互聯”和(hé)“工業 4.0 ”時(shí)代背景下(xià)，數據呈現爆炸式的(de)增長(cháng)。舉個(gè)例子，我們一個(gè)人(rén)一天約産生 1GB 數據，但是當你要開一輛無人(rén)駕駛汽車，一天産生的(de)數據量可(kě)能高(gāo)達 4000 GB ，相當于 4 千倍。

2019 年是很關鍵的(de)一年，機器産生的(de)數據已經超過了(le)人(rén)類所産生的(de)數據，這(zhè)是人(rén)類曆史上第一次；預計到 2022 年，機器産生的(de)數據可(kě)能會是人(rén)類産生數據的(de)9倍之多(duō)。

未來(lái)世界運算(suàn)的(de)邏輯是，數據來(lái)自機器的(de)搜集，包括車、智慧城(chéng)市、智能家居等，所有産生的(de)數據都要從終端、從邊緣，通(tōng)過各層傳輸、計算(suàn)，然後再到雲端、到大(dà)數據中心，再計算(suàn)、再返回到終端。

在這(zhè)短短的(de)時(shí)間内，排山倒海的(de)數據量湧入後，又要源源不絕地被計算(suàn)、處理(lǐ)，以及再傳輸，是非常挑戰芯片效能的(de)，且現有的(de)計算(suàn)架構早已無法滿足核心需求。

過去“摩爾定律”的(de)時(shí)代，追求把晶體管做(zuò)得(de)越來(lái)越小，目标是每 18 個(gè)月(yuè)～兩年晶體管數增加一倍，但随著(zhe)該定律的(de)效應遞減，從 14 nm 納米到 10 nm 納米，可(kě)能要花上 4 年時(shí)間，從 10 nm 再往下(xià)走到 7 nm 、5 nm，則需要更長(cháng)的(de)時(shí)間，試想英特爾 10 nm一直遞延就可(kě)窺知一二。

因此，越來(lái)越多(duō)人(rén)争論摩爾定律是否壽命已經到了(le)盡頭？

解答(dá)這(zhè)個(gè)問題，我們可(kě)以這(zhè)樣思考。如果繼續用(yòng)傳統思維，以縮減晶體管尺寸的(de)方式增加密度，那确實是做(zuò)不下(xià)去。但是，換個(gè)角度思考，還(hái)有很多(duō)方式可(kě)以來(lái)實現上述的(de) PPAC（功耗、性能、面積、成本）。

業界目前已經提出各種“招數”來(lái)延續摩爾定律，在此 DeepTech 以五大(dà)層面來(lái)探討(tǎo)。

新架構：如 Google 的(de) TPU、Nvidia 的(de) GPU，當成是一個(gè)加速器的(de)角色來(lái)提高(gāo)計算(suàn)，尤其是在雲端的(de)計算(suàn)性能。

新結構：如 2D 兩維轉到 3D 三維 NAND，因爲是三維結構，因此可(kě)以一直往上堆，往上的(de)空間可(kě)以一直提高(gāo)。

新材料：以前拿一張元素周期表出來(lái)，就那幾個(gè)元素在半導體、晶體管裏面，現在已經增加很多(duō)，比如銅制程取代鋁制程、钴又再取代銅，都可(kě)以顯著提高(gāo)晶體管的(de)性能，彰顯新材料對(duì)于提升PPAC方面所起的(de)重要作用(yòng)。

新微縮技術：ASML 極紫外光(guāng)刻 EUV。

新封裝技術：将各式不同工藝技術，像是 28nm 或是 5nm 的(de)處理(lǐ)器、存儲器、加速器等不同芯片，通(tōng)過先進的(de)封裝技術整合到一起，從系統層面上實現最優的(de)性能。例如台積電近幾年推出的(de)封裝技術 InFO 、CoWoS 、3D IC，以及英特爾推出的(de) EMIB 、Forevos，都是從後段制程著(zhe)手，延續摩爾定律壽命。

In-Memory Computating 概念火起來(lái)

大(dà)數據時(shí)代，彰顯巨大(dà)運算(suàn)需求的(de)重要性，同時(shí)也(yě)帶動硬件的(de)開發和(hé)投資的(de)複興，比方上述提到的(de)加速器，如果再往下(xià)更深層的(de)探討(tǎo)，這(zhè)裏要提出一個(gè)概念，就是“近存儲器計算(suàn)”（Near Memory Computing）。

什(shén)麽是 Near Memory Computing？簡單來(lái)說，過去我們常常有個(gè)觀念是“處理(lǐ)器爲王”，認爲處理(lǐ)器的(de)能力是最重要的(de)，但現在不然。

因爲，計算(suàn)能力已不再是單獨的(de)處理(lǐ)器能力決定，而是說處理(lǐ)器跟存儲器之間來(lái)回的(de)傳輸數據，也(yě)因爲面臨瓶頸，導緻計算(suàn)能力無法再前進。

Near Memory Computing 的(de)定義，就是用(yòng)大(dà)量的(de)高(gāo)帶寬、大(dà)容量，把存儲器和(hé)計算(suàn)處理(lǐ)器更緊密連在一起，在系統層級增加計算(suàn)性能。

這(zhè)概念其實都是用(yòng)現有的(de)構建模塊，比如 DRAM、NAND 、SRAM 等去實現，未來(lái)也(yě)逐漸與新式存儲器 MRAM、ReRAM、PCRAM 結合來(lái)增加計算(suàn)性能，并且打造“存儲器計算(suàn)”（In-Memory Computating）的(de)基礎。

In-Memory Computating 在這(zhè)幾年是個(gè)非常火的(de)概念，但可(kě)能還(hái)要至少 3 ~ 5 年的(de)時(shí)間才能實現。不同于 Near Memory Computing 是把存儲跟處理(lǐ)放得(de)更靠近，In-Memory Computating 就是把存儲和(hé)處理(lǐ)器整合在一起進行計算(suàn)，就沒有傳輸、延遲等問題，并且大(dà)幅提升效能。

往後看 10 ~ 20 年，類腦(nǎo)計算(suàn)、量子計算(suàn)都可(kě)以實現上述目标，但這(zhè)些技術太過遠(yuǎn)大(dà)，如果要盡快(kuài)實現 In-Memory Computating 的(de)目标，至少在 5 年之内，新式存儲器将扮演很重要角色。

哪些半導體大(dà)廠已經開始量産新式存儲器。

在探討(tǎo)新式存儲器的(de)運作原理(lǐ)之前，先來(lái)談談哪些半導體大(dà)廠已經量産 MRAM 、 ReRAM 等技術。

目前投入研發或生産新式存儲器技術的(de)陣營可(kě)分(fēn)爲三大(dà)類。

第一類：邏輯工藝晶圓代工廠，包括台積電、GlobalFoundries、中芯國際、三星電子等，主要是在主流的(de)工藝技術中嵌入 MRAM 、 ReRAM 存儲技術，屬于嵌入式存儲器的(de)使用(yòng)，并非生産獨立式的(de)存儲器。

第二類：獨立型存儲器制造商，如群聯與 Evenspin 合作将 1Gb STT-MRAM 整合進入企業級 SSD 系統扮演緩存，以提升 SSD 效能。

第三類：研究機構、學術單位等。

除了(le)英特爾與美(měi)光(guāng)合作開發的(de) 3D XPoint 技術之外，正在開發 MRAM 、 ReRAM 、 PCRAM 技術的(de)半導體大(dà)廠包括台積電、IBM、SK海力士、西部數據、GlobalFoundries 等。

台積電在技術論壇中，其實有透露 MRAM 和(hé) ReRAM 技術進程。

台積電目前的(de) 40nm ReRAM 已經具備量産能力，在物(wù)聯網芯片上，取代傳統的(de)嵌入式閃存 eFlash 技術，強調存儲的(de)芯片可(kě)以保存 10 年，并且經過 1 萬次讀寫。

再者，台積電的(de) 22 nm MRAM 同樣也(yě)具備量産能力，與 ReRAM 技術不同的(de)是，這(zhè)項 MRAM 技術是應用(yòng)在移動設備、高(gāo)效能計算(suàn) HPC 、汽車電子等領域，取代傳統的(de)嵌入式閃存 eFlash 技術。

以性能來(lái)看，22 nm MRAM 相較于 eFlash 技術的(de)寫入速度快(kuài)三倍，且資料可(kě)以保存 10 年、在高(gāo)溫下(xià)承受 100 萬次的(de)讀寫。

SK海力士先進薄膜技術部負責人(rén) Sung Gon Jin 也(yě)表示，除了(le)在 DRAM 和(hé)NAND 外，也(yě)投入新一代存儲器的(de)開發，以提高(gāo)數據中心的(de)效率。

此外，GlobalFoundries 也(yě)是投入新型态嵌入式存儲技術 MRAM 多(duō)年，與 Everspin 聯合開發，公司日前也(yě)披露在 22 nm FD-SOI工藝流程中導入嵌入式 eMRAM 技術，來(lái)生産複雜(zá)的(de)車用(yòng) MCU 芯片，或将應用(yòng)于先進駕駛員(yuán)輔助系統（ADAS）系統，或是其他(tā)車用(yòng)系統中。

新式存儲器的(de)原理(lǐ)和(hé)應用(yòng)領域

MRAM 爲磁性随機存取存儲器，架構是在晶體管中的(de)存儲單元就在後端互聯，甚至不占用(yòng)“矽”的(de)面積，可(kě)以做(zuò)到直接嵌入到邏輯的(de)電路裏，因此可(kě)以做(zuò)的(de)非常小，一個(gè)晶體管一個(gè)存儲單元。

再者， PCRAM 就是相變随機存取存儲器，以及 ReRAM 是叫電阻随機存取存儲器，比 MRAM 更有吸引力之處在于，這(zhè)兩種新式存儲技術可(kě)以跟 NAND 一樣，實現 3D 三維的(de)架構。

3D 架構的(de)好處就是可(kě)以一直堆疊，每加一層時(shí)，存儲器的(de)密度就可(kě)以增加一倍，再者，成本也(yě)可(kě)以下(xià)降，這(zhè)樣的(de)特性可(kě)以做(zuò)到大(dà)容量、低成本，因此用(yòng)在雲計算(suàn)、大(dà)數據中心是非常有吸引力的(de)。

可(kě)以說，新式存儲器的(de)應用(yòng)範圍很廣，但若把其效益發揮至最大(dà)值，先鎖定兩大(dà)應用(yòng)：物(wù)聯網、雲計算(suàn)和(hé)大(dà)數據中心。

我們常常講的(de)物(wù)聯網，就是所謂的(de)邊緣終端、邊緣設備。

現在的(de)邊緣設備架構，就是一個(gè)邏輯芯片加上一個(gè) SRAM 芯片，其中，SRAM的(de)功能是計算(suàn)，然後再加一個(gè) 3D NAND 芯片，用(yòng)來(lái)存儲算(suàn)法/軟件/代碼。

所謂“邊緣”，就是因爲沒有連線，無法通(tōng)電，這(zhè)時(shí)候功耗的(de)問題就很重要，因爲功耗決定可(kě)以用(yòng)多(duō)長(cháng)的(de)時(shí)間。

這(zhè)時(shí)，MRAM 就可(kě)以替代 SRAM 的(de)功能。因爲SRAM是不用(yòng)的(de)時(shí)候也(yě)在耗電，甚至還(hái)漏電，但有些邊緣設備可(kě)能 99% 的(de)時(shí)間都在待機，如果用(yòng) MRAM 部分(fēn)取代 SRAM ，就可(kě)以改善很多(duō)的(de)功耗問題。

3D NAND 也(yě)一樣，它實際上是高(gāo)電壓的(de)器件，若是部分(fēn)用(yòng) MRAM 部分(fēn)取代 3D NAND 也(yě)可(kě)以達到降低功耗的(de)目的(de)。

MRAM 有兩大(dà)優點，第一是待機的(de)時(shí)候不耗電，第二是比閃存便宜很多(duō)，若論缺點，則是MRAM 的(de)速度還(hái)沒有到 SRAM 等級。例如物(wù)聯網大(dà)量使用(yòng)的(de) MCU 等，MRAM就非常适合使用(yòng)。

接著(zhe)，來(lái)看雲端和(hé)大(dà)數據中心。這(zhè)塊領域有三個(gè)挑戰。首先，是海量數據的(de)湧入，再來(lái)是需要快(kuài)速進行運算(suàn)，第三個(gè)關鍵仍是回到功耗。

目前主流的(de)架構是 DRAM 再加上 SSD 去存儲數據，但要如何做(zuò)到用(yòng)新型的(de)存儲器來(lái)提高(gāo)性能？

方法一，是把 DRAM 部分(fēn)取代掉，因爲從功耗角度， DRAM 有功耗到問題。再者，PCRAM、ReRAM可(kě)以做(zuò) 3D 架構後，在成本上具備優勢。

方法二，是把 SSD 部分(fēn)取代。SSD 的(de)優勢是便宜，受惠 3D NAND 堆疊技術成熟，現在 128 層堆疊都要量産， 3D NAND 成本越來(lái)越低，但弱點卻是性能。

如果用(yòng) PCRAM、ReRAM 取代部分(fēn) DRAM，一來(lái)同樣可(kě)以實現 3D 架構，二來(lái)性能要比 SSD 好很多(duō)。

新式存儲器如何工作

磁性存儲器是一個(gè)三層的(de)結構，中間叫“隧道結”，是氧化(huà)鎂，兩邊是兩個(gè)磁性層，磁性層可(kě)以理(lǐ)解成兩個(gè)磁鐵，而這(zhè)兩個(gè)磁鐵有南(nán)北(běi)極，如果南(nán)北(běi)極匹配的(de)時(shí)候，電子就很容易通(tōng)過去，電阻就是比較低的(de)一個(gè)狀态。

再者，上下(xià)兩邊的(de)磁性層可(kě)以通(tōng)過電流把上邊變成和(hé)下(xià)邊反平行，就是不匹配。而當不匹配時(shí)，電子就很難通(tōng)過去，那它就是一個(gè)高(gāo)電阻的(de)狀态。

所以，通(tōng)過低電阻和(hé)高(gāo)電阻，實現“0”和(hé)“1”的(de)存儲，實際上是一個(gè)基于電阻變化(huà)，通(tōng)過磁性來(lái)實現高(gāo)電阻、低電阻的(de)原理(lǐ)的(de)存儲器技術。

PCRAM、ReRAM 原理(lǐ)類似，是通(tōng)過電流或電壓來(lái)控制。PCRAM 是以晶型來(lái)控制低電阻、高(gāo)電阻。當全結晶時(shí)，就是一個(gè)低電阻的(de)狀态，當非晶型時(shí)，就是高(gāo)電阻的(de)狀态，以此實現“0”和(hé)“1”。

ReRAM也(yě)類似，不導通(tōng)的(de)地方就是一個(gè)高(gāo)電阻的(de)，跟絕緣材料一樣，而通(tōng)電以後就可(kě)以實現導電通(tōng)路，呈現一個(gè)低電阻的(de)狀态，所以跟MRAM類似，通(tōng)過電阻高(gāo)低來(lái)實現“0”和(hé)“1”。

簡而言之，要實現這(zhè)種新式存儲器，就是要通(tōng)過材料工程來(lái)實現這(zhè)些存儲器的(de)基礎，仍是有一些挑戰要克服。

設備技術突破，規模化(huà)時(shí)代終于來(lái)臨

針對(duì)大(dà)規模生産新式存儲器，設備大(dà)廠的(de)材料工程突破是關鍵。應用(yòng)材料針對(duì) MRAM 設計的(de) Endura Clover MRAM PVD 系統，可(kě)以在真空條件下(xià)執行多(duō)個(gè)工藝步驟，實行整個(gè) MRAM 的(de) 10 種材料，然後 30 多(duō)層一層一層地堆積，它的(de)核心就是 Clover PVD，一個(gè)腔室最多(duō)可(kě)實現 5 種材料，然後在原子級别、亞原子級别上去實現一個(gè)薄膜的(de)沉積。

之前提到 MRAM 中間有一個(gè)氧化(huà)鎂層，應用(yòng)材料表示，中間的(de)氧化(huà)鎂層非常關鍵，會影(yǐng)響整個(gè) MRAM Device 性能，應用(yòng)材料采用(yòng)獨特的(de)技術來(lái)建立，使整個(gè) MRAM 都實現低功耗、高(gāo)耐用(yòng)。

在 MRAM 制造過程中，需要在一個(gè)平台上實現超過 10 種材料、超過 30 層薄膜的(de)堆積、沉積是非常複雜(zá)的(de)。相較之下(xià)， PCRAM 和(hé) ReRAM 沒有那麽多(duō)層，但它還(hái)是有很多(duō)層的(de)結構，包括電極、選擇器、存儲器，裏面的(de)材料非常獨特。

比如說 PCRAM，其材料結構是 GST ，包含鍺 Ge 、銻 Sb、碲 Te，并不是常用(yòng)的(de)材料，挑戰是如何沉積這(zhè)些複合材料，控制其組分(fēn)。

針對(duì) PCRAM 和(hé) ReRAM 大(dà)規模量産，應用(yòng)材料對(duì)應的(de)設備爲 Endura Impulse PVD 系統，可(kě)嚴格控制多(duō)組分(fēn)材料成分(fēn)，同時(shí)可(kě)以實現出色的(de)薄膜厚度、均勻性、界面控制。

以大(dà)趨勢觀之，新式存儲器的(de)大(dà)規模量産會從嵌入式開始，比如台積電将 ReRAM 和(hé) MRAM 嵌入至現有工藝，之後新式存儲技術才會往獨立存儲器領域發展，因爲其需要的(de)密度會更高(gāo)。

迎接“數據爆炸”時(shí)代，芯片急需高(gāo)計算(suàn)性能，偏偏遇上摩爾定律放緩的(de)時(shí)代，而類腦(nǎo)芯片、量子計算(suàn)距離實現又太遠(yuǎn)，新式存儲技術在磨刀(dāo)多(duō)年後，遇上設備材料實現突破，正好可(kě)以趕上萬物(wù)互連、海量數據計算(suàn)的(de)時(shí)代，上戰場(chǎng)打仗。

新式存儲器大(dà)規模量産之際，正好遇上國内的(de) 3D NAND 和(hé) DRAM 兩種傳統存儲器要加入國際競争舞台一搏高(gāo)下(xià)之時(shí)。雖然彼此應用(yòng)領域、層面相異，但湊巧地，新舊(jiù)技術同樣走在曆史轉折的(de)一頁，互相見證全球科技産業鋪成的(de)軌迹。