在商標中使用“crosspoint”一詞可能會(huì )造成混淆，因為這些存儲器中的任何一個(gè)都可以配置為crosspoint存儲器。它有一個(gè)由字線(xiàn)（word lines）和位線(xiàn)（bit lines）相互正交的簡(jiǎn)單陣列-與SRAM類(lèi)似，但不類(lèi)似于閃存。當某些人提到crosspoint存儲器時(shí)，他們專(zhuān)門(mén)指的是英特爾產(chǎn)品。其他人則更廣泛地使用該術(shù)語(yǔ)。

 

下一代技術(shù)（也是最先進(jìn)的一種存儲技術(shù)）是磁性隨機存儲器（MRAM）。我們在這里的重點(diǎn)將是當前的MRAM技術(shù)，稱(chēng)為自旋轉移矩技術(shù)存儲器（STT-MRAM）。這涉及夾在隧道材料之間的兩個(gè)可磁化層，稱(chēng)為磁性隧道結（MTJ）。其中一層（“固定”或“參考”層）具有固定的極性，另一層（“自由”層）的極性可以通過(guò)流過(guò)存儲單元的電流來(lái)設置。隧穿電流看到的電阻取決于固定層和自由層是否具有平行或反平行磁化。 MRAM已經(jīng)以各種形式出現了一段時(shí)間。

 

 

圖2：MRAM存儲單元。圖片來(lái)源：Cyferz 維基百科（公共領(lǐng)域）

 

最后，還有阻式存儲器（RRAM/ReRAM），由于它們都是阻性技術(shù)，其名稱(chēng)可能會(huì )造成混淆。 RRAM有兩種主要的類(lèi)型-一種是電極中的材料遷移以在整個(gè)電介質(zhì)上形成導電絲，另一種是氧離子和空位四處遷移以形成導電通路（或不形成）。這是一個(gè)更加完全開(kāi)放的類(lèi)別，需要通過(guò)大量實(shí)驗來(lái)找到最佳配方。

 

PDF Solutions（這家公司雖然不是一家存儲器供應商，但可以幫助供應商進(jìn)行技術(shù)鑒定和評估，為他們揭露許多必須解決的低級別問(wèn)題）高級研究員Tomasz Brozek說(shuō)：“RRAM吸引人的地方是，存儲單元可選用的材料很豐富。”

 

圖3：概念性RRAM存儲單元狀態(tài)。資料來(lái)源：Adesto

 

所有這些技術(shù)的挑戰之一是編程機制具有一定的內在隨機性，而閃存或DRAM中沒(méi)有這種隨機性。將值寫(xiě)入存儲單元可能會(huì )導致錯誤的值。這不是存儲單元本身的錯。它可能會(huì )在下一次完美編程。這是必須通過(guò)糾錯碼（ECC）之類(lèi)的伴隨電路來(lái)緩解的問(wèn)題。

 

Nantero還提供了一種更新的NVM技術(shù)，稱(chēng)為NRAM。這是用碳納米管制成的（CNTs – NRAM中的N是“ 納米管”）?？删幊痰奶技{米管（CNTs）形成松散的，無(wú)方向性的團塊，利用溫度（通過(guò)電流）或靜電，它們可以越過(guò)范德華極限而使這些碳納米管緊密結合在一起或分離得更遠，從而使它們在一側相互吸引或在另一側互相排斥。這使編程狀態(tài)穩定。在堆積在一起的狀態(tài)下，碳納米管相互接觸并導電。而在分離狀態(tài)下，它們不會(huì )如此。因此，電阻再次成為要讀取的參數。

 

 

圖 4: NRAM 存儲單元. 資料來(lái)源: Nantero

 

由于這些技術(shù)都是新技術(shù)，因此它們沒(méi)有面臨閃存已經(jīng)具有的多級存儲單元的挑戰。無(wú)論是打開(kāi)還是關(guān)閉，每個(gè)單元仍然代表一個(gè)位（bit）。多級存儲單元還允許使用中間值，例如，一個(gè)四級單元可以存儲兩位數據。最近，無(wú)論是閃存還是RRAM（都已嘗試使用其他方法），都已將其應用到極致，并將它們用作模擬存儲器，并且在單元中進(jìn)行幾乎是連續的編程。這對于使用所謂的“內存中計算”的機器學(xué)習應用程序是有益的。

 

由于多級和模擬用途需要更高的編程和讀取精度，因此，Brozek說(shuō)：“越來(lái)越多的存儲器正在使用寫(xiě)入驗證”。這種方法嘗試寫(xiě)入內存，然后退回并讀取，重復進(jìn)行直到達到所需的級別。這會(huì )花費更長(cháng)的時(shí)間，但會(huì )給出更精確的結果。

 

這些存儲器中的每一個(gè)都可以制成專(zhuān)用的大容量芯片，也可以嵌入到SoC或MCU中。作為大容量芯片，可以量身定制該工藝，以實(shí)現最高的良率和可靠性。但是，當嵌入時(shí)，它們必須盡可能與底層CMOS技術(shù)保持一致，從而使其每比特成本更高，但仍要求高可靠性。英特爾的Optane是大容量存儲器；尚不清楚該技術(shù)是否適合嵌入。 Brozek和Handy都將MRAM與NOR-flash作為嵌入式存儲器進(jìn)行競爭。 RRAM是Adesto提供的一種大容量技術(shù)，而作為嵌入式技術(shù)也引起了廣泛的興趣。

 

NVM可靠性方面的考慮

 

作為NVM，除了考慮適用于所有集成電路外，所有這些技術(shù)均要與閃存共同考慮可靠性。數據的保留和耐用性尤其重要。對于諸如DRAM和SRAM這樣的易失性存儲器，這兩個(gè)都不是問(wèn)題。具有諷刺意味的是，對于DRAM而言，這不是問(wèn)題，是因為其數據保留時(shí)間如此之短，以至刷新電路是DRAM的基本要求，因此只要保持電源就不會(huì )造成數據丟失。通常，在這些新的NVM技術(shù)中，刷新被認為是不可取的（盡管有可能）。

 

數據保留率是一種規范，它指示存儲器在所有條件下（存儲或操作）將保持其內容多長(cháng)時(shí)間。借助閃存技術(shù)，薄的電介質(zhì)可以在讀寫(xiě)條件下將電子傳遞到浮柵中。從理論上講，這些電子然后被困在浮柵中，沒(méi)有明顯的方式泄漏出來(lái)。但是，隨機電子可以通過(guò)超過(guò)能量勢壘的熱能或通過(guò)電介質(zhì)隧穿而緩慢泄漏。如果有足夠的時(shí)間，足夠多的電子會(huì )泄漏出去，從而使存儲單元狀態(tài)退化。

 

每種NVM技術(shù)（新技術(shù)也不例外）都有一種逐漸泄漏數據的方式。因此，數據保留率成為存儲器將保留其內容一段時(shí)間的保證。此后，它的內容可能還會(huì )保留更長(cháng)時(shí)間，但不能保證。十年一直是閃存的典型規格，盡管考慮到汽車(chē)的使用壽命長(cháng)，汽車(chē)應用正在逐步淘汰該要求。

 

數據保留率與其他基本的NVM規范耐久性有關(guān)。每次對NVM進(jìn)行編程時(shí)，可能會(huì )發(fā)生一些輕微的損壞。在閃存中，這是由于電子嵌入到將浮柵與電路其余部分分開(kāi)的電介質(zhì)中而導致的。也可能會(huì )出現加速電子從浮柵泄漏的缺陷。耐久性是指在數據保留率低于規格之前存儲器可被編程的次數。

 

從理論上講，可以對給定器件進(jìn)行超出其耐久性的編程，它可能會(huì )繼續運行-但數據保留時(shí)間較短。但是，某些器件可能會(huì )計算編程周期，并阻止超出限制的編程。多年來(lái)，10,000個(gè)周期是閃存預期達到的極限。如今，越來(lái)越多的存儲器指定了100,000個(gè)周期的標準。

 

這些特性需要減輕存儲器外部的影響，以便最大程度地延長(cháng)給定芯片的壽命。例如，如果數據集中在存儲器的下半部分，則這些單元可能會(huì )耗盡，而存儲器的上半部分基本上保持不變。那是對存儲單元的低效使用。損耗均衡是一種在存儲器外部施加的技術(shù)，它可以移動(dòng)數據的位置以確保使用整個(gè)存儲器，從而延長(cháng)了芯片的壽命。

 

但是損耗均衡不是萬(wàn)能，Brozek指出，“你可以將損耗均衡用于大容量存儲，但不能用于[嵌入式]MCU NVM”，因為它主要用于存儲代碼，該代碼必須位于已知的固定位置。

 

所有這些考慮因素將適用于任何新的NVM技術(shù)。在大多數情況下，它們必須滿(mǎn)足閃存運行的級別，并且如果可能的話(huà)，需要超過(guò)它們。如果將耐久性提高了多個(gè)數量級，則不再需要進(jìn)行損耗均衡，盡管該決定不在存儲器制造商的手中，而在系統設計者的控制之下。

 

當考慮可靠性時(shí)，Brozek說(shuō)： “所有這些技術(shù)都是不理想的，您要對它們進(jìn)行表征，并添加電路級工具來(lái)對其進(jìn)行管理。一旦采取了緩解措施，就應該有一個(gè)抵消其內在問(wèn)題的黑匣子。”

 

溫度等級

 

溫度越高，任何磨損機制都將越明顯。數據保留和耐久性規格假定高溫是恒定的，這意味著(zhù)偶爾出現高溫且有間歇期的器件可能持續時(shí)間會(huì )更長(cháng)。但是，沒(méi)有實(shí)際的方法來(lái)指定這種變化的溫度曲線(xiàn)，因此數據表指定了最壞的情況。

 

但是“高溫”是什么意思？多年來(lái)，有兩種級別的集成電路：商業(yè)級的溫度范圍為0至70°C；軍事級的溫度范圍為-55 – 125°C。這代表了兩個(gè)截然不同的業(yè)務(wù)，因為軍用級材料具有極其嚴格的要求。因此，一些公司或部門(mén)選擇專(zhuān)注于其中一項或多項業(yè)務(wù)。在某種程度上，也出現了工業(yè)級溫度范圍為-40 – 85°C的產(chǎn)品。盡管工業(yè)級產(chǎn)品的生產(chǎn)不像軍用級產(chǎn)品那樣困難，但它們仍?xún)A向于將其應用領(lǐng)域與使用商業(yè)級IC的設備區分開(kāi)來(lái)。

 

隨著(zhù)汽車(chē)市場(chǎng)的出現，這種情況發(fā)生了變化，可以說(shuō)它需要以商業(yè)水平的價(jià)格獲得軍事水平的堅固性。然而，實(shí)際上，并非車(chē)輛中的所有組件都必須在發(fā)動(dòng)機附近的溫度下運行。因此，目前在汽車(chē)內使用五個(gè)溫度等級。這是一個(gè)根本性的變化，因為所有這些等級都可以在同一設備中找到。

 

圖5：汽車(chē)溫度等級。溫度是環(huán)境溫度。數字來(lái)源：AEC Q100標準

 

KLA產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Meng Zhu表示：“由于電子的熱能變化，溫度通常是影響電子器件的重要因素。”對于諸如MCU或高速緩存之類(lèi)的MRAM應用，通常要求工作溫度范圍在-40°C至125°C之間。較高的環(huán)境溫度可能會(huì )由于各向異性勢壘上方的磁躍遷而導致數據保留問(wèn)題，并會(huì )由于隧穿磁阻（TMR）的降低而影響器件的可讀性。用于MRAM制造的所有熱處理工藝也都需要得到良好控制。退火工藝步驟用于改善MgO / CoFeB層的結晶度，從而增強各向異性和TMR。另一方面，過(guò)多的熱預算會(huì )導致MRAM層之間的原子相互擴散，降低器件性能。例如，Ta擴散進(jìn)入MgO勢壘中可能會(huì )降低MgO的結晶度，而B(niǎo)擴散到CoFeB外可能會(huì )改變垂直各向異性并影響TMR。”

 

一個(gè)令人驚訝的溫度考慮因素是回流焊接。正如GlobalFoundries嵌入式存儲器高級總監Martin Mason所描述的那樣，每個(gè)芯片都應能夠承受五種不同的回流焊接。前兩種發(fā)生在最初將芯片安裝在板上時(shí)–一個(gè)用于表面安裝，另一個(gè)用于同一板上的通孔組件。如果需要返工，那么將有一個(gè)以上的設備來(lái)移除任何有故障的單元，然后最多有兩個(gè)來(lái)更換那些單元。

 

每個(gè)焊接周期都需要將溫度升高到220至270°C并持續10至15分鐘，據Adesto創(chuàng )始人兼存儲器工程副總裁Shane Hollmer所說(shuō)：“這些技術(shù)中的許多技術(shù)都在熱穩定性和數據保留方面作了努力。”這對于那些在芯片測試中編寫(xiě)程序，之后組裝到電路板上的設備來(lái)說(shuō)是個(gè)問(wèn)題。

 

PDF Solutions（普迪飛半導體技術(shù)有限公司）是一家為集成電路整個(gè)生命周期提供良率提升技術(shù)服務(wù)的領(lǐng)先供應商，同時(shí)也是業(yè)內頂級的半導體大數據解決方案專(zhuān)家。在公司成立近30年時(shí)間里，持續為全球客戶(hù)提供良率提升和數據分析方面的專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗和技術(shù)服務(wù)。針對中國大陸的半導體市場(chǎng)，PDF Solutions公司推出了基于云端部署的Exensio-Hosted半導體數據分析平臺。Exensio–Hosted是一款不需要任何IT維護的企業(yè)級的云端數據分析系統，它可以讓我們隨時(shí)隨地去訪(fǎng)問(wèn)數據，并且可以做一些定制化的數據分析，快速的查找問(wèn)題的根源。該平臺目前提供免費賬號的注冊申請，方便芯片設計企業(yè)迅速掌握先進(jìn)的數據分析手段。