嵌入式存儲(chǔ)器的過(guò)去與現(xiàn)在

隨著超大規(guī)模集成電路工藝的發(fā)展，人類(lèi)已經(jīng)進(jìn)入了超深亞微米時(shí)代。先進(jìn)的工藝使得人們能夠把包括處理器、存儲(chǔ)器、模擬電路、接口邏輯甚至射頻電路集成到一個(gè)大規(guī)模的芯片上，形成所謂的SoC(片上系統(tǒng))。作為SoC重要組成部分的嵌入式存儲(chǔ)器，在SoC中所占的比重(面積)將逐漸增大。

近期臺(tái)積電技術(shù)長(zhǎng)孫元成在其自家技術(shù)論壇中，首次揭露臺(tái)積電研發(fā)多年的eMRAM(嵌入式磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ))和eRRAM(嵌入式電阻式存儲(chǔ)器)將分別訂于明后年進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)性試產(chǎn)。預(yù)計(jì)試產(chǎn)主要采用22nm工藝。這種次世代存儲(chǔ)將能夠?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)、行動(dòng)裝置、高速運(yùn)算電腦和智能汽車(chē)等四領(lǐng)域所提供效能更快和耗電更低的存儲(chǔ)效能。臺(tái)積電此舉讓嵌入式存儲(chǔ)器再度回到人們的視線中。本文將為你闡述嵌入式存儲(chǔ)器的前世今生。

何為嵌入式存儲(chǔ)器

嵌入式存儲(chǔ)器現(xiàn)在已經(jīng)不是一個(gè)新的概念了。相對(duì)于片外存儲(chǔ)器，嵌入式存儲(chǔ)器是指集成在片內(nèi)與系統(tǒng)中各個(gè)邏輯、混合信號(hào)等IP共同組成單一芯片中的存儲(chǔ)器?，F(xiàn)已經(jīng)成為SOC芯片的基本組成部分，幾乎今天每個(gè)SOC芯片中嵌入式存儲(chǔ)器都占有一定比重。

按照掉電后數(shù)據(jù)是否會(huì)丟失，可將嵌入式存儲(chǔ)器分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是揮發(fā)性存儲(chǔ)器，另一類(lèi)則是非揮發(fā)性存儲(chǔ)器。揮發(fā)性存儲(chǔ)器是指掉電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失，主要包括速度快、功耗低的SRAM和高密度的DRAM。而非揮發(fā)性存儲(chǔ)器則剛好相反，其在實(shí)際應(yīng)用中主要包括eFlash、EEPROM以及eMRAM、eRRAM、ePRAM等次世代存儲(chǔ)器。

雖然都是存儲(chǔ)器，但二者還是有些許不同。嵌入式存儲(chǔ)器和分立式存儲(chǔ)器最重要的不同之處在于嵌入式存儲(chǔ)器往往跟應(yīng)用IC自身的工藝特性條件有很大關(guān)系，比如用90nm和用45nm工藝做出來(lái)的芯片，其內(nèi)部嵌入式存儲(chǔ)器大小差別也是很大的。而分立式存儲(chǔ)器件則主要圍繞存儲(chǔ)器器件工藝進(jìn)行優(yōu)化。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式存儲(chǔ)器在SOC中的面積所占比重也在逐年增加，從圖一可以看出，從1999年平均的20%上升到2007年的60-70%乃至2014年的90%的面積。可以看出，嵌入式存儲(chǔ)器對(duì)于芯片系統(tǒng)性能的影響越來(lái)越大。

圖一 嵌入式存儲(chǔ)器在SOC中所占芯片面積的比重。

嵌入式存儲(chǔ)器發(fā)展歷程

早在上世紀(jì)六七十年代，那時(shí)的半導(dǎo)體行業(yè)主要由IDM占據(jù)，每個(gè)公司從芯片設(shè)計(jì)、制造到封裝都自己做。各家都是獨(dú)立開(kāi)發(fā)自己的工藝、IP和相關(guān)芯片。

早期人們對(duì)于系統(tǒng)的要求包括集成度、速度、功耗都不高，因此分立式存儲(chǔ)器在那時(shí)占據(jù)主流位置，成為各應(yīng)用廠家的首選。

后來(lái)到了上世紀(jì)八九十年代，fabless和foundry模式開(kāi)始出現(xiàn)，基于設(shè)計(jì)的復(fù)雜性以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期兩方面考慮，開(kāi)始出現(xiàn)第三方的獨(dú)立IP供應(yīng)商，如ARM公司。

隨著芯片集成度的不斷提升，反過(guò)來(lái)給分立存儲(chǔ)器帶來(lái)了兩大挑戰(zhàn)：1)集成度和工藝開(kāi)始允許片內(nèi)集成更多的存儲(chǔ)器;2)存儲(chǔ)器的速度發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于MPU的速度，MPU速度以每年60%在成長(zhǎng)，而存儲(chǔ)器只有10%。二者速度之間增長(zhǎng)的差異，如圖二所示。

圖二 MPU于DRAM隨時(shí)代變遷而發(fā)展的關(guān)系圖

同時(shí)片內(nèi)存儲(chǔ)器具有靈活簡(jiǎn)單的接口、更低延遲和更寬總線，更為重要的是還能節(jié)省系統(tǒng)的空間大小，使得它日益受到集成電路設(shè)計(jì)師的青睞。在這一時(shí)期嵌入式存儲(chǔ)器主要以SRAM和DRAM兩種形式呈現(xiàn)。

到了九十年代中期，Intel做了一項(xiàng)重大創(chuàng)新，將片外高速緩沖器(Cache)集成到了片內(nèi)。這直接導(dǎo)致當(dāng)時(shí)一大批分立的片外高速緩沖存儲(chǔ)器廠商倒閉，成為嵌入式存儲(chǔ)器代替分立式存儲(chǔ)器的標(biāo)志性事件。

到了今天一顆手機(jī)處理器超過(guò)90%的面積由各種嵌入式SRAM如寄存器堆，一二級(jí)緩存甚至三級(jí)緩存組成，嵌入式SRAM也成為晶圓代工廠的工藝技術(shù)衡量指標(biāo)。由于SRAM由六個(gè)晶體管組成，而DRAM只有一個(gè)晶體管加一個(gè)電容組成，具有面積優(yōu)勢(shì)，當(dāng)時(shí)很多廠商其實(shí)都在思考將DRAM嵌入到系統(tǒng)的可能性。

九十年代，當(dāng)時(shí)IBM，Toshiba等大公司都在嘗試開(kāi)發(fā)嵌入式DRAM。但開(kāi)發(fā)并不順利，開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)在于DRAM工藝與常規(guī)邏輯工藝差異很大，工藝的整合難度相當(dāng)大。雖然到今天，隨著工藝的進(jìn)步，使得一些公司像TSMC也在重新審視eDRAM的可行性，并有部分成果，但是主流的設(shè)計(jì)還是沒(méi)有將eDRAM納入必備選項(xiàng)。

后來(lái)隨著消費(fèi)類(lèi)電子大幅成長(zhǎng)，不斷擴(kuò)大的存儲(chǔ)需求刺激著嵌入式閃存(eFlash)不斷發(fā)展。從早期，設(shè)計(jì)人員將程序簡(jiǎn)單固化在ROM中，到后來(lái)的OTP，EEPROM乃至現(xiàn)在很火的高密度eFlash內(nèi)存。嵌入式內(nèi)存能夠有效存儲(chǔ)代碼和數(shù)據(jù)，而且掉電后還不丟失，對(duì)很多應(yīng)用都有重要意義。

然而走到今天，現(xiàn)有存儲(chǔ)技術(shù)暴露的一些缺陷，比如SRAM、DRAM的問(wèn)題在于其易失性，斷電后信息會(huì)丟失且易受電磁輻射干擾，這一缺陷極大限制了其在國(guó)防航空航天等一系列關(guān)鍵高科技領(lǐng)域的應(yīng)用。而FLASH、EEPROM的寫(xiě)入速度慢，且寫(xiě)入算法比較復(fù)雜，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)中高速、高可靠性寫(xiě)入的要求，且功耗較高，無(wú)法滿足嵌入式應(yīng)用的低功耗要求。

新型存儲(chǔ)器躍躍欲試

對(duì)于現(xiàn)有信息存儲(chǔ)產(chǎn)品的性能有了更高要求，迫切需要在存儲(chǔ)材料和技術(shù)方面取得突破。在這些需求的驅(qū)動(dòng)下，相繼出現(xiàn)了一些新型非易失存儲(chǔ)器，如鐵電存儲(chǔ)器(FRAM)、相變存儲(chǔ)器(PRAM)、磁存儲(chǔ)器(MRAM)、阻變存儲(chǔ)器(RRAM)。雖然說(shuō)這些是新型存儲(chǔ)器，但從某個(gè)角度看，這些存儲(chǔ)器已經(jīng)存在有一段日子了。

(1)鐵電存儲(chǔ)器(FRAM)

鐵電存儲(chǔ)器是一種掉電后信息不丟失的非易失存儲(chǔ)器，具有高速、高密度、低功耗和抗輻射等優(yōu)點(diǎn)。其核心基礎(chǔ)是鐵電晶體材料，采用鐵電效應(yīng)作為其電荷存儲(chǔ)機(jī)制，同時(shí)擁有隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)和非易失性存儲(chǔ)產(chǎn)品的特性。其結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。FRAM的工作原理是利用金屬-鐵電-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，鐵電薄膜用來(lái)替代MOS管中的柵極氧化硅層，鐵電薄膜保持著兩個(gè)穩(wěn)定的極化狀態(tài)，分別表示“1”和“0”。

圖三 FRAM結(jié)構(gòu)剖面圖

(2)磁性存儲(chǔ)器(MRAM)

MRAM是利用材料的磁場(chǎng)隨磁場(chǎng)的作用而改變的原理所制成。利用磁存儲(chǔ)單元磁性隧道結(jié)(MTJ)的隧穿磁電阻效應(yīng)來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)。

如下圖四所示，MTJ有三層，最上層為自由層，中間是隧道結(jié)，下面是固定層。自由層的磁場(chǎng)極化方向是可以改變的，而固定層的磁場(chǎng)方向固定不變。當(dāng)自由層與固定層的磁場(chǎng)平行時(shí)，存儲(chǔ)單元呈現(xiàn)低阻態(tài);當(dāng)磁場(chǎng)方向相反時(shí)，存儲(chǔ)單元呈現(xiàn)高阻態(tài)。MRAM通過(guò)檢測(cè)存儲(chǔ)單元電阻的高低，來(lái)判斷所存數(shù)據(jù)是0還是1。

圖四 MJT結(jié)構(gòu)示意圖

(3)相變存儲(chǔ)器(PRAM)

PRAM的存儲(chǔ)原理是利用某些薄膜合金的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)相變存儲(chǔ)0和1的信息。通常這些合金具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)：具有低電阻的多晶狀態(tài)和具有高電阻的無(wú)定形狀態(tài)。PRAM應(yīng)用硫系玻璃材料，利用硫族材料的電致相變特性，其在晶體和非晶體狀態(tài)呈現(xiàn)不同的電阻特性。當(dāng)被加熱時(shí)呈晶體狀，為1狀態(tài);當(dāng)冷卻為非晶體時(shí)，為0狀態(tài)。通過(guò)改變流過(guò)該晶體的電流就可以實(shí)現(xiàn)這兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

(4)阻變式存儲(chǔ)器(RRAM)

RRAM的原理是通過(guò)特定的薄膜材料的電阻值在不同電壓下呈現(xiàn)的電阻值不同來(lái)區(qū)分0和1的值。RRAM的存儲(chǔ)單元具有簡(jiǎn)單的金屬/阻變存儲(chǔ)層/金屬(MIM)三明治結(jié)構(gòu)如圖六所示。

圖五 RRAM器件結(jié)構(gòu)圖

哪種存儲(chǔ)會(huì)是未來(lái)的選擇?

FRAM的讀寫(xiě)速度主要取決于鐵電材料的極化反轉(zhuǎn)特性，根據(jù)目前理論極化反轉(zhuǎn)速度可達(dá)到皮秒量級(jí)。

MRAM利用磁性存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，容量成本低，具有低功耗、高速存取、無(wú)限次讀寫(xiě)、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在軍事、航空航天、移動(dòng)通訊等領(lǐng)域的應(yīng)用有很大優(yōu)勢(shì)。

PRAM被認(rèn)為是FLASH和DRAM的替代者，讀寫(xiě)速度是普通閃存的30倍，同時(shí)其擦寫(xiě)壽命也是閃存的10倍。PRAM的最大優(yōu)點(diǎn)是高效能和低耗電。

RRAM具有與CMOS工藝兼容性好、低功耗、易于隨先進(jìn)工藝微縮等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。總結(jié)這幾種新式存儲(chǔ)器優(yōu)缺點(diǎn)如下表所示。

表一 幾種存儲(chǔ)器性能對(duì)比

新型存儲(chǔ)器挑戰(zhàn)

FRAM目前作為新型存儲(chǔ)器的主要問(wèn)題是鐵電薄膜材料。未來(lái)發(fā)展需要解決的主要難題：一是采用3D結(jié)構(gòu)縮小單元面積提高集成度;二是提高鐵電薄膜特性。

RRAM還是一項(xiàng)前沿的研究課題，目前還主要停留在實(shí)驗(yàn)室階段。未來(lái)材料的尋找仍然是RRAM面臨的主要問(wèn)題。

而臺(tái)積電未來(lái)選擇先生產(chǎn)的MRAM和PRAM也會(huì)遇到挑戰(zhàn)。MRAM的主要問(wèn)題在于其高昂的制造成本。其次MRAM依靠磁性存儲(chǔ)材料，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)周?chē)男酒a(chǎn)生怎樣的影響需要仔細(xì)考慮。

而PRAM的最大問(wèn)題是成本和容量。目前PRAM的單位容量成本還是比NAND高不少。發(fā)熱對(duì)于PRAM而言是個(gè)大問(wèn)題，由于PRAM需要加熱電阻式材料發(fā)生相變，隨著工藝越來(lái)月先進(jìn)，單元變得越來(lái)越精細(xì)，對(duì)于加熱元件的控制要求也將越來(lái)越高，那發(fā)熱帶來(lái)的影響也將加大。發(fā)熱和耗電可能會(huì)制約PRAM的進(jìn)一步發(fā)展。

嵌入式存儲(chǔ)器未來(lái)

嵌入式存儲(chǔ)器具有大容量集成的優(yōu)勢(shì)，是SOC的重要組成部分，具有重要的創(chuàng)新性和實(shí)用性。何種嵌入式存儲(chǔ)器將取得最終的成功，取決于多方面的因素：能否與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容，在不斷增加復(fù)雜性的工藝步驟的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)大容量的片上集成，從而提高其性價(jià)比;能否隨著工藝的發(fā)展縮小尺寸，解決超深亞微米工藝的延續(xù)性和擴(kuò)展性問(wèn)題，這是所有采用電容結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)信息的存儲(chǔ)器面對(duì)的共同挑戰(zhàn);能否滿足片上其他高速邏輯的帶寬需要，構(gòu)成帶寬均衡、穩(wěn)定簡(jiǎn)潔的集成系統(tǒng);準(zhǔn)確的市場(chǎng)定位，保持量產(chǎn)。

總而言之每項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展都有其機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn)。而無(wú)懼挑戰(zhàn)勇于創(chuàng)新的企業(yè)最終將贏得市場(chǎng)。