下一代内存加大

下一代内存市场升温供应商坡道的新技术,但也有一些挑战,这些产品将成为主流。

多年来,该行业一直致力于各种内存技术,包括碳纳米管RAM,弗拉姆号,MRAM,相变内存和ReRAM。有些是航运,而另一些则在研发。每个内存类型是不同的,是针对特定的应用程序,但他们都承诺取代传统的记忆的一个或多个内存/存储层次结构在当今的系统。

在这个层次结构的第一层,静态存储器集成到处理器实现快速的数据访问。动态随机存取记忆体,下一层的层次结构,用于主内存。磁盘驱动器和与非的固态硬盘(ssd)用于存储。

图1:内存hierarchy-DRAM / SRAM和flash有对立的特点,留下一个缺口由内存存储类。来源:林的研究

今天的内存和存储类型的工作,但他们正努力跟上数据和带宽需求的爆炸系统。例如,DRAM快速但耗电,而NAND闪存和硬盘都是廉价而缓慢。

这就是下一代记忆符合。新的内存类型结合SRAM的速度和flash的non-volatility无限的耐力。这些技术有一些令人印象深刻的规格,但他们已经推迟或低于承诺或两者兼而有之。

事实上,它一直是一个难以给大规模生产带来许多新的内存类型。这些记忆依赖于特殊材料和转换机制,使他们难以制造和/或操作。他们还贵。

总之,新的记忆仍利基产品,但有一些明显的进展。例如,英特尔加大新一代记忆被称为3 d XPoint。GlobalFoundries,三星,台积电和联华电子正在开发新的内存类型为嵌入式市场。“是一个非常大的交易逻辑晶圆厂发展MRAM和抵抗RAM为嵌入式内存。的东西可能开车的成本,”分析师吉姆说方便的客观的分析。“独立的内存市场,成本很高。使它吸引人只愿意支付一大笔钱,因为他们不能得到他们想要的东西的地方。”

所以传统的记忆仍然在系统主流产品,但现在新的内存类型一些选项。帮助读者获得领先,半导体工程采取了看下一代记忆的状态。

3 d XPoint的崛起
花了很长时间,但一些下一代记忆是加大。每一个新的内存有一些有趣的属性,声称他们可以超越传统的记忆。

不过不太可能,新的记忆将取代DRAM, flash或SRAM,至少现在是这样。

这都归结到性能,密度和成本。例如,细胞大小对于一个给定的内存=功能(F)的大小乘以4平方。最小的细胞大小是4 f²。最新的3 d与非设备包含四位/细胞(QLC),这在理论上转化为细胞大小1 f²。

“如果你想取代NAND,你必须低于1 f²。据我所知,我们不会看到,在我们的一生中,”Ed痛单位说内存老兵和董事会成员在Nantero,碳纳米管公羊的开发人员。

取代DRAM,新的记忆类型必须便宜以及拥有一个完整的基础设施,比如DRAM-compatible接口和控制器。

如果新的内存类型不会取代传统的技术,他们在哪里?“应用程序像云计算和最新的移动产品开车需要一个新的内存类别,结合了DRAM的速度和NAND的更高的密度和低的成本,”Alex Yoon说,高级技术总监林的研究在一个博客。“为了满足这些标准,正在研究的一些新技术。有些是针对嵌入式应用程序如systems-on-chips (soc),而另一些则专注于存储类的内存空间。”

目前,新的内存类型雕刻了利基市场在内存/存储层次结构不了今天的记忆。有些人甚至把小咬或DRAM和闪存份额。但目前还不清楚如果新的内存类型将成为主流技术。

目前仍没有一个新的内存技术,可以满足所有的需求,所以客户可能会使用一个或多个。说:“他们都有自己的地方Sylvain Dubois,营销和业务发展副总裁横梁,ReRAM供应商。“在某些情况下,他们正在制造。有一些重叠。但很明显,我们都有不同的定位。”

图2:内存层次结构。来源:Imec

不过,一个技术是获得蒸汽。市场的重大变化是最近兴起的3 d XPoint,英特尔公司开发出的新一代技术和微米。

3 d XPoint于2015年正式推出的时候,这项技术被吹捧为一个存储类适合介于DRAM和NAND内存。它应该是快1000倍和1000倍耐力比NAND闪存。

事实上,3 d XPoint被推迟了,辜负了这些规格。“我们知道这是夸张的在现实中,“马克韦伯说,MKW企业负责人,咨询公司。“现实是不同的,但它仍然是相当惊人的。3 d XPoint将会有更多的收入比其他所有新的非易失性记忆的总和。”

事实上,几经耽搁,英特尔正在加大基于3 d XPoint ssd和其他产品。最终,英特尔将使用技术在服务器的DIMM。”(与3 d XPoint),英特尔已最快的ssd与最好的耐力,”韦伯说。“dimm延误。”

预计销售3 d XPoint跳不久前从0到7.5亿年的2018美元,根据MKW。到2020年,3 d XPoint收入预计将达到15亿美元,根据MKW。

相比之下,MRAM业务在2017年是3600万美元,据一份报告Coughlin Associates和客观的分析。其他内存类型几乎在雷达。

新的记忆苍白的DRAM和NAND相比。DRAM市场预计将在2018年达到1016亿美元,而NAND将达到626亿美元,根据IC的见解。

与此同时,3 d XPoint基于技术相变存储器(PCM)。PCM将信息存储在无定形和结晶阶段。它可以可逆地改变与外部电压。

建立在一个两层的多层架构,一个3 d XPoint设备是在128 -千兆密度使用20 nm几何图形。读取延迟大约是125 ns 200 k周期的耐力,根据MKW。

图3:3 d XPoint架构来源:维基百科

这项技术是快,但它并不比NAND快1000倍。“这也有成本远高于NAND,“韦伯说。“这不是一个DRAM替换。它补充了DRAM。”

接下来的3 d XPoint吗?DIMM的大机会空间。从英特尔dimm终于出现时,他们将整合3 d XPoint和DRAM。“英特尔可以优化处理器的性能特征和建筑利用3 d XPoint,”他说。

尽管如此,未来的技术仍不确定。英特尔和微米分离方法在开发3 d NAND和3 d XPoint。此前宣布,两家公司将完成当前的产品在两个类别,然后独立追求这些技术。

目前还不清楚如果微米会字段3 d XPoint设备。到目前为止,微米尚未船3 d XPoint产品,随着技术似乎与DRAM和NAND闪存产品竞争。

显然,英特尔有资源在3 d XPoint单干。但问题是英特尔是否会收回其庞大的研发投资与技术。

MRAM vs ReRAM
与此同时,工业也在开发其他新的内存类型,如MRAM和ReRAM。像3 d XPoint, MRAM和ReRAM可以和销售作为独立的设备。

3 d XPoint不是出售作为嵌入式内存。相比之下,MRAM和ReRAM也可以在嵌入式内存市场服务。

为MRAM,该行业正在开发新一代技术自旋扭矩MRAM(STT-MRAM)。STT-MRAM利用电子自旋的磁性在芯片提供非易失性属性。它结合了SRAM的速度和flash的non-volatility无限的耐力。

图4:STT-MRAM记忆细胞。来源:MRAM-Info

在传统的记忆中,数据存储电荷。相比之下,MRAM使用磁隧道结(MTJ)存储单元存储元素。

MTJ由内存堆栈,可以为一个给定的应用程序配置。但当调优MTJ堆栈,有些取舍耐力,数据保留和写脉冲宽度。“在MTJ堆栈的设计,有固有的权衡。你可以优化堆栈耐力放弃数据保留,例如,反之亦然,”汤姆安德烈说,负责工程的副总裁Everspin。

这允许您以不同的方式方法不同的应用程序。举个例子,如果你正在做嵌入式MRAM,试图构建嵌入式NVM代码存储,能够提高数据保留和放弃耐力非常符合这个应用程序,”安德烈说。“在Everspin独立部件,代价是另一个方向去。我们更多的向更高的工作耐力申请这些圆形写入缓冲器类型的解决方案。”

STT-MRAM还有其他的优点以及缺点。“MRAM是伟大的速度,但它不能在成本竞争或密度、“MKW韦伯说。另外,STT-MRAM更难比此前认为的制造,从而限制技术出口市场。

到目前为止,Everspin是唯一一家航运基于STT-MRAM独立的部分。Everspin航运速度达每秒256 mb的网络是基于40 nm,与28 nm 1 gigabit设备。雪崩、番红花、三星、东芝、SK海力士自旋转移和其他人仍然在STT-MRAM工作,但他们不是在生产。

“我认为学习曲线非常大当你比较磁学与半导体工艺。学习曲线是需要时间的。这是最大的问题,”总经理Mahendra Pakala说发展过程应用材料。”为嵌入式市场,有足够的临界质量。我想说这很多更进一步。”

事实上,嵌入式MRAM的势头正在建设。GlobalFoundries,三星,台积电和联华电子正在开发嵌入式MRAM铸造客户28 nm / 22纳米。

在嵌入式市场,行业利用微控制器(mcu)。单片机几个组件集成在同一芯片上,如CPU、存储器、嵌入式内存和外围设备。嵌入式内存,比如flash,用于存储代码。

单片机与嵌入式和flash上面基于40 nm和航运。现在,该行业正在加大28 nm单片机,16 nm / 14 nm芯片研发。

问题是,很难大规模嵌入式flash,有时被称为eFlash, 28 nm和超越。”(许多人认为),28 nm / 22纳米eFlash,不是因为可伸缩性限制,而是因为经济壁垒,”David Hideo Uriu说产品营销总监联华电子。“你能嵌入flash超过28 nm的规模吗?简短的回答是肯定的,我们将支持在我们22 nm节点。但宏观设计本质上是一样的28 nm。

“超过28 nm / 22纳米,eFlash front-end-of-line过程中需要超过15面具小蝰蛇。额外的面具蛇创造经济障碍,挑战铸造行业是否追求另类的非易失性内存或继续投资额外的资源推动现有eFlash的边界技术,”他说。

嵌入式MRAM是被开发来代替嵌入flash在28 nm和超越。”(嵌入式MRAM)低功率与快速写作。写速度快与慢得多,也嵌入flash相比,“先进CMOS的副总裁Mike Mendicino说GlobalFoundries。

在一个例子中,一个低功耗单片机可能需要快速唤醒和安全功能。“这就是MRAM可以取代典型的嵌入式flash,但也有些SRAM,“Mendicino说。

缓存,SRAM芯片占据很大一部分。嵌入式MRAM也可以假设一些SRAM-based缓存功能,从而节省空间和成本。“MRAM本身可以在这些设备提供电能节约。但如果你把一个很好的MRAM到平庸的平台,这是不会赢,”他说。

不过,嵌入式MRAM有一些挑战,即集成技术设计的能力。成本是另一个因素。“客户希望新兴嵌入式非易失存储器的成本eFlash一样具有成本效益。这种期望带来另一个挑战铸造行业和目标将难以实现,但解决方案应该能够维持目前的价格竞争力水平使用今天的成本点,联电的Uriu说。

电阻随机存取存储器(ReRAM),与此同时,也正在取得进展,但没有3 d XPoint和MRAM的水平。一般来说,有两种类型的ReRAMs-oxygen-vacancy ReRAM CBRAM。

在这两种情况下,交换介质位于顶部和底部电极之间。上面一个正电压时电极、导电纤维在两个电极之间形成。丝由离子原子。一个负电压时底部电极、导电丝断裂。

图5:ReRAM在行动。来源:Adesto

ReRAM涉及到一个复杂的过程。“理解,以及如何控制它仍然是非常困难的,一个巨大的挑战,”应用的Pakala说。

MRAM和ReRAM都有类似的读取和数据保留规格。但是MRAM更高温度规范ReRAM相比,MRAM优势在汽车等应用程序。”简短的回答是MRAM可以用于大多数的汽车应用程序,但是今天ReRAM只能用于消费应用程序,“联华电子的Uriu说。

图6:MRAM vs ReRAM来源:联华电子

到目前为止,Adesto和松下是唯一公司航运独立ReRAMs。横梁上也是独立的设备上工作,尽管该公司是专注于一个IP授权模型。在嵌入空间中,横梁和Microsemi工作。“Microsemi致力于嵌入式ReRAM集成到一个先进的SoC或FPGA。14 nm或12海里,“横梁的杜布瓦说。“这意味着ReRAM鳞片。我们有一个铸造厂,正在与我们12海里ReRAM大规模生产线。”

其他人也在开发ReRAM。“现在每个人都在看着ReRAM杜布瓦说。“如果你想要操作的应用程序,ReRAM要好得多。”

为嵌入式ReRAM,主要的应用包括AI /机器学习、计算、家庭自动化、工业和安全。

其他的竞争者
铁电随机存取存储器(弗拉姆号)是另一个值得注意的技术。使用铁电电容器存储数据,弗拉姆号是一个非易失存储器,无限的耐力。

传统弗拉姆号是有限的扩展。要解决这些问题,启动铁电存储器(FMC)正在开发新一代弗拉姆号,称为铁电场效应晶体管(FeFET)。

还在研发、FeFET并不是一个新设备。FeFET利用现有逻辑晶体管high-k /基于氧化铪金属门堆栈。然后修改门绝缘子与铁电性质。

“我们所做的主要是一个电晶体技术,一个电晶体铁电存储器,”斯蒂芬·穆勒说,FMC的首席执行官。“我们正在推动在嵌入式领域。这将是在消费市场的东西。”

与此同时,在研发、Nantero发展碳纳米管公羊。为嵌入式应用,富士通预计将提供基于Nantero第一个碳纳米管公羊的技术。

“战略是做嵌入式内存逻辑。富士通将增加,在2019年,“Nantero痛单位说。”与此同时,我们正在研究的是一个DRAM-compatible高容量的设备。与DRAM竞争。”

所以下一代记忆正在取得进展,给oem厂商大量的选项。但他们仍有很长的路要走之前的主流设备。他们可能永远不会达到这一点,继续滚DRAM和闪存。

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