儘管有機會，但更高密度對大多數新興記憶體來說仍然是一個挑戰。

新世代記憶體正進入一個新的階段，但沒有像前幾年負責該領域成長而備受矚目相變記憶體(PCM)。就在分析師Thomas Coughlin與Jim Handy彙整年度報告時，英特爾(Intel)宣佈以PCM 3D XPoint技術的Optane即將落幕，這表示「新世代記憶體進入下一階段」進行最後的調整。

Jim Handy的客觀分析。

「Optane即將消失，在我們報告內容中仍有很多Optane，」Handy在採訪中告訴《EE Times》。

如果沒有Optane，Coughlin Associates與Handy的客觀分析年度聯合報告的主旨會是，新世代記憶體的下一階段主要的晶片代工廠——三星(Samsung)、台積電(TSMC)與GlobalFoundries——出貨具電阻式隨機存取記憶體(ReRAM)或磁阻式隨機存取記憶體(MRAM)。

Handy說：「這就是我們所期待大多商業模式的來源，」他另外提到，嵌入式新世代記憶體的成長將源於ReRAM與MRAM放置在微控制器(MCU)、ASIC、甚至現場可編程邏輯閘陣列(FPGA)等元件中。「而且它主要作為NOR快閃記憶體體的可替代式元件。」

NOR快閃記憶體體已達到了極限，因為它無法相容在28奈米(nm)以下的製程技術，這讓用新興的記憶體作替代成為低風險的方式，低功耗應用也很適用於新世代記憶體。

鐵電隨機存取記憶體(FRAM)是新世代記憶體很好的例子，它填補了低密度的利基需求——其輻射耐受性是英飛凌科技(Infineon Technologies)將其應用於太空的原因。在今年年初時，英飛凌宣佈其2MB的序列周邊介面FRAM，該公司聲稱這是太空產業中的第一個輻射硬化(rad-hard) FRAM。除了輻射耐受性，FRAM在運作過程中的低能耗使其成為太空的首選，因為電力寶貴，而且與非揮發性E2PROM與串列NOR快閃裝置相比，還具有更出色的寫入能力。

FRAM在汽車、外太空領域具備可靠性

最近，英飛凌推出了8Mb與16Mb的Excelon F-RAM記憶體，旨在滿足下一代汽車與工業系統的非揮發性資料記錄需求。這些系統與外太空一樣，工作環境惡劣，需要額外的保護來協助防止資料遺失。英飛凌汽車部門RAM產線負責人Ramesh Chettuvetty在接受《EE Times》採訪時表示，這些最新的FRAM提供業內最高的密度，能符合自動化，並提高與感測器連接，快速成長所帶來的資料記錄的要求需求。

英飛凌的Excelon F-RAM記憶體滿符合汽車與工業系統非揮發性資料記錄要求，這些系統與在外太空一樣，工作環境惡劣，需要額外的保護來幫助防止資料遺失。

(來源：英飛凌科技)

英飛凌在FRAM方面的投資可以回溯到很久之前，部分原因是收購了Cypress Technologies。Chettuvetty提到，除了低電力與耐輻射之外，新世代記憶體的吸引力在於其資料傳輸時的可靠性，使其成為汽車等業界執行重要任務資料記錄的首選，因為在上述業界中，對資料記錄的要求非常嚴格。FRAM是目前NOR快閃記憶體的理想替代品，NOR快閃記憶體損耗很快，不過在對資料記錄的要求並非重要任務的地方，快閃記憶體仍然是首選，因為價格便宜。

無論可靠性要求如何，低密度FRAM仍有市場的需求，即使記錄產生的資料量增加。如果空間是最後的戰場，那麼高密度就是FRAM的下一個戰場。

Chettuvetty說：「現有技術在密度上存在一定的限制。」他無法詳細說明，但英飛凌正在探討如何透過研究不同的材料將FRAM的密度提高到16Mb以上。

FRAM因其非揮發性和低功耗而存在了將近40年，這得益於，與其他記憶體相比，FRAM具備較低的開關能源。正如Coughlin/Handy報告所提出，這種新興的記憶體似乎比所有其他新興的記憶體類型總和的銷售量還多。利用FRAM的低寫入能源的應用是富士通(Fujitsu)生產地鐵票卡的RFID晶片，每筆交易都是由無線電訊號所產生的電能來驅動。

FRAM面臨的挑戰是，由於鉛(lead)與鉍(bismuth)的材料問題，很難與標準CMOS製程結合，因此它在較小的製程中不能量產——能夠與現有的CMOS製程結合並採用3D技術是量產的重要因素。今天，三種類型的FRAM單元的開發工作仍在繼續：基於電容式FRAM、鐵電場效電晶體(FeFET)與氧化鉿鋯鐵電穿隧接面(ferroelectric tunnel junction)。報告指出，在過去十年中，新的無鉛與無鉍材料對FRAM燃起新的希望，其中包括氧化鉿(hafnium oxide)。

德國Dresden鐵電記憶體(FMC)在NAMLABS於2011年發表氧化鉿研究基礎上，克服FRAM的限制。氧化鉿可作為所有高介電常數金屬閘極(HKMG)製程節點的閘極絕緣體，從而採用標準式HKMG電晶體，並將其閘極絕緣體修改為鐵電，以創造一個非揮發性的HKMG電晶體——FeFET。

FRAM和ReRAM都有相似的成功和挑戰。兩者都具有耐輻射性，並且在較小的密度下取得了一些成功，但ReRAM也在努力擴大密度，並實現離散記憶體商業化。Weebit Nano可以說是最活躍和最引人注目的ReRAM公司，該公司的大部分重點一直是為其離散式氧化矽ReRAM開發必要的選擇器技術。

ReRAM透過選擇器的進步來打破障礙

這家以色列公司完成對其研發夥伴CEA-Leti所製造的ReRAM模組全面的技術鑒定，CEA-Leti在Weebit的進展中發揮了重要作用。Weebit行銷副總裁Eran Briman提到，該鑒定是根據JEDEC非揮發性記憶體(NVM)的業界標準來進行，證實Weebit的嵌入式技術適合批量生產。其ReRAM展示晶片包括完整的嵌入式應用子系統，包括Weebit ReRAM模組、RISC-V MCU、系統介面、記憶體與周邊設備。

今年年初，Weebit Nano展示了其如何將最初的ReRAM模組結合到一個完整的子系統中，包括一個RISC-V MCU、系統介面、靜態隨機存取記憶體(SDRM)與周邊。

(來源：Weebit Nano)

同時，Weebit的嵌入式ReRAM模組已經從SkyWater的美國生產廠交付給Weebit——這是第一次從生產廠收到Weebit ReRAM的矽晶圓——並證明其ReRAM可以用標準工具與成熟的製程生產，使其更容易被客戶的系統單晶片(SoC)設計所採用。

Briman在接受《EE Times》採訪時說到，Skywater的交付是一個重要的里程碑。它與鑒定在選擇器方面取得進展之後進行。該公司與CEA-Leti一起，最近展示了其ReRAM選擇器如何使用標準材料與工具實現離散晶片所需的高密度，同時也能夠嵌入應用，為未來SoC提供更高的NVM密度。他說，這意味著該選擇器可以在台積電等晶圓代工廠結合到嵌入式裝置中。「這相當有意義，因為這意味著我們可以縮小這些記憶體陣列尺寸。」

Weebit的嵌入式ReRAM模組已經從SkyWater的美國生產廠交付給該公司，說明其ReRAM可以用標準工具與成熟的製程流程製造。

(來源：Weebit Nano)

精心設計一個選擇器是很重要的，因為它可以確保只有應該被存取的特定單元實際被存取，而所有其他單元都被斷開，不會受到影響。嵌入式ReRAM設計傳統上使用電晶體作為選擇器元件，但它們增加了一個儲存位元的單元面積，不能支持離散晶片所需的高密度。進一步發展ReRAM的其他方法包括3D堆疊式ReRAM交叉點結構與技術，可以提高每個晶片的位元容量，以及最大限度地降低成本。

Weebit兩年前開始加大離散ReRAM的開發力道，當時的驅動力是潛在客戶的迫切需求，以及離散ReRAM在遇到量產挑戰時，成為NOR快閃記憶體替代品的現實機會。正如Weebit執行長Coby Hanoch之前告訴《EE Times》的那樣，當時的計畫是，嵌入式ReRAM的收入將為離散方面的進展提供資金，包括選擇器，而對神經形態運算應用的資源投入時機是一個長期的機會。

Briman說，與英飛凌的FRAM一樣，Weebit的ReRAM是工業級的，這使得它對包括汽車與航空航太在內的惡劣環境非常有用，特別是在快閃記憶體無法處理輻射的地方。「我們的產品面對輻射非常強健；在高溫狀態也非常穩健。」

他說，Yole Group發表的其他研究報告預測，嵌入式ReRAM市場將在5年內達到10億美元大關，而且晶圓代工廠、晶圓廠與整合元件製造商(IDM)也有很大的興趣。

Weebit行銷副總裁Eran Briman

Briman說，ReRAM的主要挑戰是繼續縮小到更低的製程節點。Weebit很快就會推出22奈米與8Mb元組的記憶體模組，「而且我們已經在研究更先進的製程節點」。但他並指出，每個節點都有自己的資格要求，以確保可靠性與耐用性，同時在縮小規模時保持記憶體單元的電流與電壓，所以前面有許多技術挑戰。「從嵌入式市場開始，它的記憶體陣列較小，是進入這個市場的一個更好的入口。嵌入式領域有足夠大的市場機會。」

根據Coughlin/Handy的報告，除了Weebit之外，目前還有一些ReRAM元件可用於特殊應用。CrossBar已經對一個40奈米的ReRAM進行了採樣，由其代工夥伴中芯國際製造，Microsemi (已被Microchip收購)與Microchip授權其技術。該公司最近一直專注於將其技術應用於硬體安全應用，其形式是基於ReRAM的加密物理不可仿製(unclonable)功能密鑰，可在安全運算應用中生成。這些密鑰並不是新技術，但由於網路銀行與物聯網(IoT)的出現而得到更多關注，這為銀行卡或支付終端等專用電子設備的數位安全之外創造了機會。

Coughlin/Handy報告指出的ReRAM的其他應用包括人工智慧。與PCM一起，它非常適合在通常被稱為神經網路的架構中儲存線性加權配置，這是一種非常簡化的推理引擎，可以在非常短的時間內以低精準度執行大量的數學運算。

MRAM實現了更高的密度

與FRAM與ReRAM不同，MRAM作為離散與嵌入式記憶體在量產與提供顯著密度方面取得了更多進展，它有多種形式，其中有兩種更常見的記憶體產品：Toggle模式與自旋轉移矩(spin transfer torque，STT)。切換式MRAM正在成為替代SRAM的持久性記憶體標準，並被用於運輸、航空航太、企業、醫療、物聯網與工業應用。

隨著STT MRAM密度的擴大，它正逐漸走向成為資料中心應用的通用記憶體，因為與Toggle相比，它可以達到更高的密度、更低的功耗，並降低成本。Everspin Technologies擁有離散與嵌入式記憶體件的產品線，最近，該公司推出了EMxxLX STT-MRAM元件，該元件設計用於資料持久性與完整性、低電力、低延遲與安全性至關重要的電子系統，如工業物聯網(IIoT)、網路/企業基礎設施、過程自動化與控制、航空航太、醫療、遊戲與FPGA配置。

Everspin Technologies總裁暨執行長Sanjeev Aggarwal在接受《EE Times》採訪時提到，其最新的MRAM可以在高密度下取代NOR快閃記憶體。對於Everspin來說，將離散的MRAM產品推向市場要比嵌入式產品更快，對於後者，它正與GlobalFoundries等代工夥伴進行大量合作。雖然Toggle和STT MRAM在溫度範圍、速度和資料保留方面都非常適合工業應用，但「STT MRAM允許我們將MRAM從低密度擴展到高密度，」Aggarwal提到。當其進入更小的節點時，所需要更的電流會更少。

Everspin Technologies總裁暨執行長Sanjeev Aggarwal

Aggarwal說，Everspin已經為資料中心應用提供了近五年的DDR介面MRAM，並不斷擴大其SRAM替代產品的市場比重。MRAM替代的另一個候選者是NOR快閃記憶體，與其他新世代記憶體相比，它的優勢之一是不需要做任何擦除。Aggarwal說：「對於電阻式記憶體，需要有一個擦除命令，這會導致更長的延遲與更高的功率。」他並補充，另一個市場機會是在FPGA內，它也採用NOR快閃記憶體。

儘管MRAM有這麼多機會，Aggarwal並不幻想它能完全取代DRAM，包括低電力DRAM或NAND快閃記憶體。「我不認為從成本角度來看，我們將永遠沒有競爭力，但我們能做的是作為相鄰的記憶體。且作為相鄰的記憶體，STT MRAM仍有相當大的優勢。」

Aggarwal表示，鄰接可以透過Compute Express Link (CXL)介面來促成，該介面旨在最佳化記憶體資源的使用，以便將正確的記憶體用於正確的工作負載，同時儘量減少資料必須傳輸的距離。「CXL所做的是允許你在設備側處理具有不同延遲的記憶體。在這個意義上，CXL是MRAM可以使用的介面。」

Coughlin/Handy報告指出，MRAM的重要優勢在於它需要更少的遮罩，從而降低了生產的複雜性。由於PCM尚未成為一種可行的代工技術，而ReRAM在很大程度上仍處於研究與開發階段，嵌入式MRAM看起來是嵌入式NOR快閃記憶體的資料與程式碼儲存的合理替代物。它還能耐受輻射，使它對空間硬化的應用非常有用。Everspin最近與QuickLogic簽訂了一份合約，提供MRAM技術、設計與後段製造服務。他們將共同開發與演示戰略防輻射、高可靠性的FPGA技術，以支援已確定與未來的美國國防部(DoD)策略與空間系統要求。

報告指出，除了Everspin，其他著名的MRAM開發商包括Avalanche Technology，該公司幾年來一直在研究自家版本的垂直STT MRAM，並主要關注軍用級產品，而三星為其嵌入式產品制定了廣泛的MRAM開發計畫。2022年初，該公司展示了一種處理儲存資料並用於人臉檢測的記憶體運算MRAM晶片；三星的晶片將運算元素添加到64 × 64單元的MRAM元件橫條陣列中，以加快人工智慧任務。

近年來另一個備受矚目的新興記憶體是PCM，但其在市場上的成長完全依賴美光(Micron)和Intel聯合開發的3D XPoint技術。隨著美光在2021年3月退出該市場，幾乎沒有什麼產品開發，而Intel在經過認真的開發投資和行銷後，在2022年夏天停掉了其Optane固態硬碟(SSD)和DIMM，Handy想知道Intel是否會為他們花了「一大筆錢」的技術找到一個新家，由於Optane並未成功，所以他懷疑是否有人會再追捧它，但如果Intel出售專利或工程師接手經營一家可以為其他應用做PCM的獨立公司，他也不會感到驚訝。

Intel Optane代表了迄今為止唯一市售的PCRAM，該公司將其定位為儲存層次中高於3D NAND SSD和低於DRAM。

(來源：Intel)

整體而言，Handy指出有一些利基市場需要新興記憶體的特定性能，如耐輻射性。「現在人們真正重視新興記憶體技術的地方是對電源敏感的應用，所以這將是該技術獲得立足點的一個較佳領域。」但他說，最終，新興的記憶體仍然面臨著一個長期以來的「雞和蛋」挑戰，即使它們有可能解決更高密度的問題。

「如果採用更嚴格的製程，可以達到更高的密度，但採用更嚴格的製程需要成本。你必須要有一個具有量的市場來證明你的去處，這就是阻礙任何這些技術的東西。」Handy總結。

(參考原文：Low-Power Apps, Foundries Eye Emerging Memories，by Gary Hilson)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2023年3月號

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