下一代存储器eMRAM蓄势待发｜老邢点评

点评：下一代存储器eMRAM蓄势待发

1．存储器占整个半导体市场规模超20%，地位十分重要。由于标准型内存 DRAM、NAND Flash 等微缩工艺已逼近极限，许多半导体巨头如三星电子、英特尔、台积电等都在大举发展下一代新型存储器。

2．下一代新型存储器除了eMRAM以外，还有相变存储器（PCM）、嵌入式电阻RAM（eRRAM）、碳纳米管（CNT）和铁电场效电晶体（FeFET）等。其中eMRAM 速度最快，应用前景也被看好，但由于采用了大量的新材料、新结构，量产难度极大。

3．eMRAM是一种极具应用潜力的下一代新型存储器，它的关键性优势在于结合了非易失性与无限使用寿命。相比目前的DRAM或者SRAM，包括它的高可制造性、高数据密度、高速度、非易失性和耐久性等，优势还是非常明显的。

4．全球半导体巨擘正在下一代新型存储器市场展开强力竞争，这很可能全面改变半导体市场的发展前景，并成为未来半导体代工的主要业务之一。目前三星电子正大力发展eMRAM记忆体，三星的28nm FD-SOI（Fully Depleted Silicon on Insulator）制程有eMRAM 的选项，其中eMRAM的风险生产为2018年；而18nm的FD-SOI制程的风险生产将始于2020年，也有eMRAM的选项。欧洲最大半导体厂商-恩智浦半导体已经决定采用三星电子的eMRAM记忆体，以应用在相关的物联网装置之上。台积电发布在2018年下半年于28nm制程中生产eMRAM。而GlobalFoundries也发布，计划在2017年于22nm FD-SOI制程上提供eMRAM，2018年进入量产。

耐600℃高温存储器问世，有助于开发极端环境下的AI应用

电子发烧友网报道（文/吴子鹏）近日，美国宾夕法尼亚大学科学家研制出一款可在600℃高温下持续工作60小时的存储器。据悉，目前市场上主流的存储器耐温极限是200℃，一旦超过了200℃便开始失效，导致设备故障和信息丢失。因此，这种新型存储的耐受温度是目前商用存储设备的两倍多，表明该存储器具有极强的可靠性和稳定性。

这款新型存储有望在可导致电子或存储设备故障的极端环境下大显身手，也为在恶劣条件下进行密集计算的人工智能系统奠定了基础。相关论文发表于新一期《自然·电子学》杂志。

图源：《自然·电子学》杂志

耐高温存储器持续突破

耐高温存储器的研发对于极端环境下部署相关应用有重要的价值。比如，在随钻测井(LWD)方面，这是一种先进的测井技术，是地质导向钻井系统的重要组成部分，它提供的信息是井眼轨道控制决策的重要依据。不过，这项应用的挑战在于，由于勘测环境的高温，很多数据无法存储，也就无法获取准确的地质情况，以及无法用于设备的进一步研发。像这样的场景有很多，比如工业制造中在高温中运转的设备，很多也无法获取有价值的数据，瓶颈就在于存储器。

像随钻测井(LWD)这类型的应用，一般都要求存储设备具备150℃的耐温，不过我们都知道传统存储器一般耐温范围是-40℃到125℃。因此，150℃耐温也是一个关键点。2021年时，日本当时的初创企业Floadia(富提亚科技)就研发出了一种150℃高温下数据可保存10年的每单元7个比特(7bpc)的闪存。

这种存储进行了结构和材料创新，据报道，Floadia在硅-氧化物-氮化物-氧化物-硅(SONOS)布局的基础上，使用分布式电荷捕获型结构，中间设置了一层氮化硅薄膜，可以牢牢捕获电荷，另外使用了二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)材料，使得这种闪存的耐温达到了150℃。这种闪存可以维持超过10万次编程擦写循环，是一款准商业的产品。

当然，实际上在2018年之前，存储器的耐温记录已经达到了200℃，因此研发200℃以上耐温的存储器才是科技前沿。根据国家自然科学基金委员会的消息，2018年南京大学物理学院缪峰教授课题组与南京大学现代工程与应用科学学院王鹏教授、马萨诸塞大学杨建华教授就将忆阻器的耐温记录提升到了340℃。在这个项目中，课题组利用二维层状硫氧化钼（MoS2-xOx）、石墨烯构成三明治结构的范德华异质结，实现了基于全二维材料的、可耐受超高温和强应力的高鲁棒性忆阻器。

图源：国家自然科学基金委员会

这种新型的结构和材料，可以让忆阻器的擦写速度小于100 ns ，可擦写次数超过千万次，并且在340℃高温环境下可以稳定地工作。这一论文结果也发布在《自然·电子学》杂志上。

新型存储器使用铁电氮化铝钪（AlScN）

材料创新是存储器创新的关键一环，纵览存储器前沿的研究成果，都少不了材料创新的影子。在美国宾夕法尼亚大学科学家的项目中，该团队使用了铁电氮化铝钪（AlScN）。

该团队创建了一种生长在4英寸硅片上的镍/AlScN/铂的金属-绝缘体-金属结构。实际上，来自宾夕法尼亚大学的Deep Jariwala、Roy H. Olsson III和美国空军研究实验室的Nicholas R. Glavin等人去年就在《自然纳米技术》上发表了一些关于氮化铝钪的研究成果。

根据当时的论文，氮化铝钪的铁电材料上层叠了称为二硫化钼（MoS2）的二维半导体，利用这种组合，宾夕法尼亚大学团队研发出了一种非常薄的存储器，每个存储单元的面积都是行业最小的。

在最新的研究上，宾夕法尼亚大学团队又用氮化铝钪突破了存储器的耐温记录。该存储设备由金属—绝缘体—金属结构组成，包括镍和铂电极以及一层45纳米厚的AlScN。这种结构设计使该存储器能与高温碳化硅逻辑器件兼容，与专为极端温度设计的高性能计算系统协同工作。据悉，在这个结构中，氮化铝钪带来的好处是能够在更高温度下保持开和关等特定电状态。

结语

对于一些严苛环境来说，部署人工智能系统的意义更为重大，因为这些环境是不允许人类到达的。不过，由于传统存储器在耐温方面存在不足，导致很多项目无法成行。宾夕法尼亚大学团队最新的研究成果将存储器耐温提高到了600℃，有助于将AI带到更加严苛的环境中。

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