2024全球闪存峰会关注话题之新型存储介质

在数据驱动的时代，存储技术的不断升级对于各行各业的数字化转型至关重要，尤其ChatGPT的出现，不仅推动AI技术发展，对存储介质和存储架构提出新要求。为了满足大语言模型对数据存储和处理需求，新型存储技术如PCM、MRAM、ReRAM和FRAM也在不断发展和完善。

一、相变存储器（PCM）

PCM通过热能的转变，使相变材料在低电阻结晶（导电） 状态与高电阻非结晶（非导电）状态间转换，拥有寿命长、功耗低、密度高、抗辐照特性好、读写速度快的技术特点。汽车行业越来越多地将PCM融入如高级驾驶辅助系统 (ADAS)、信息娱乐系统、导航系统和自动驾驶汽车，来支持处理和存储这些系统生成的大量数据。

2024年意法半导体宣布与三星联合推出 18nmFD-SOI 工艺，该工艺支持嵌入式相变存储器（ePCM）。

此前英特尔和美光联合研发的3D Xpoint，就是基于相变存储技术、速度介于SSD和内存之间，可以和DRAM并行使用，适用于规模型应用场景。现在的替代方案包括铠侠推出的XL-Flash，基于BiCS3DSLC/MLC NAND，快速读写，寿命也接近Optane。三星的Z-NAND，DWPD达到30(OptaneDWPD在100以上)，以AIC插卡的形式实现。

在国内，北京时代全芯存储技术股份有限公司(AMT)致力于开发及生产搭载最新存储PCM(相变存储)技术的存储产品，是中国最早获得IBM核心集成电路技术专利的民营企业之一。目前AMT已经成功设计并量产基于相变存储器的产品芯片，其中包括256Mb的LPDDR2和32Mb的SPI芯片，以及16Mb的嵌入式相变存储器的宏模块。

其特点包括：

1. 寿命长：PCM的读写寿命通常超过传统的NAND闪存，适合频繁读写的应用。

2. 功耗低：相较于DRAM和NAND，PCM在读写操作中的能耗更低。

3. 密度高：PCM的高密度存储特性使其在单位面积上可以存储更多的数据。

4. 抗辐照性强：PCM在高辐射环境下仍能保持稳定性能，适用于航天等特殊领域。

5. 读写速度快：PCM的写入速度接近DRAM，读取速度也显著快于NAND闪存。

二、磁变存储器（MRAM）

MRAM是一种基于隧穿磁阻效应的技术，产品主要适用于容量要求低的特殊应用领域，如IoT嵌入式存储领域。国内主要企业则包括海康驰拓、致真存储等专注MRAM的研发与应用。

海康驰拓与中电海康集团有限公司共同拥有一项STT-MRAM存储器及其制备方法的专利，专利描述了一种具有特殊结构的STT-MRAM存储器。其MRAM产品线包括多种容量和接口类型的产品，例如4Mb、16Mb的SPI STT-MRAM产品，以及正在开发的64Mb产品和256Kb的I2C STT-MRAM产品。

致真存储专注于MRAM研究，是国内唯一具有SOT-MRAM完整知识产权和8英寸研发、中试、量产线的厂商，成功研发了国内首个80nm以下MRAM核心器件。

国外企业，Everspin曾是飞思卡尔半导体公司的一部分，是首个商业化MRAM产品的初创企业，推出了具有SRAM速度和闪存结构的非易失性Toggle-MRAM产品。

技术特点：

1. 读写次数无限：MRAM的非易失性特性使其读写次数几乎无限，适合高频读写的应用。

2. 写入速度快：MRAM的写入速度非常快，几乎可以与SRAM媲美。

3. 功耗低：相比于DRAM，MRAM在保持数据的过程中几乎不消耗能量。

4. 整合度高：MRAM可以与逻辑芯片高度整合，适用于嵌入式存储和物联网（IoT）设备。

主要应用场景大致分为：

1、 高速，高可靠性存储。主要参与企业包括国内驰拓科技，致真存储，美国公司Everspin（其第三代产品以垂直磁化STT-MRAM为主）。

2、 SCM低延迟硬盘服务器。主要参与企业为Everspin和IBM。

3、 数据/code存储，充当nor flash的替代产品。

4、 还有就是嵌入式非易失性存储。用与MCU/SOC和慢速SRAM，当前在做的有三星，台积电，驰拓科技也已经有客户进行了量产。

5、 缓存（eSRAM），主要偏向SOT-MRAM。

三、阻变存储器（ReRAM）

阻变存储器（Resistive Random Access Memory，ReRAM或RRAM）基于非导性材料在外加电场作用下实现高阻态和低阻态之间的可逆转换。其存储原理是通过改变材料的电阻状态来存储数据。

在商业化方面，RRAM主要有两大应用方向——存储应用和存算应用。存储应用上，目前有英特尔、松下等大厂将RRAM用于MCU领域，存算一体化上，目前国内的亿铸科技正在尝试基于RRAM通过存算一体架构实现AI大算力芯片，并将其应用在中心侧与边缘侧的应用场景中。

技术特点：

1. 高速度：ReRAM的读写速度通常小于100纳秒，远超NAND闪存。

2. 耐久性强：ReRAM具有较高的写入耐久性，适合高频读写的应用。

3. 多位存储能力：ReRAM可以实现每个存储单元存储多个位的数据，提高存储密度。

四、铁电存储器（FRAM）

铁电存储器（Ferroelectric Random Access Memory，FRAM或FeRAM）利用铁电晶体材料的电压-电储流关系具有滞后回路的特点来存储数据。铁电材料的极化特性使其能够在没有电源的情况下保持数据。其中如富士通、罗姆集团（ROHM）、赛普拉斯半导体等都是铁电存储器领域的参与企业。

技术特点：

1. 读写速度快：FRAM的读写速度接近SRAM，显著快于NAND闪存。

2. 寿命长：FRAM的写入寿命非常高，适合频繁读写的应用。

3. 功耗低：FRAM在读写过程中消耗的能量非常低。

4. 可靠性高：FRAM在高温、高压等极端环境下表现稳定。

FRAM由于其快速读写、低功耗和高可靠性的特点，未来在智能卡、传感器、医疗设备和嵌入式系统中具有广泛的应用前景。

最后

新兴闪存技术如PCM、MRAM、ReRAM和FRAM各具特色，满足了不同应用场景下对存储性能、耐久性和能效的多样化需求。随着这些技术的不断成熟和大规模应用，未来的存储市场将呈现更多的创新和变革。无论是在高性能计算、物联网，还是在嵌入式系统和智能设备中，这些新型存储技术都将发挥关键作用，推动数字时代的发展。

2024年8月28日，在南京即将召开的全球闪存峰会上，闪存介质依然是我们关注的焦点话题。当前的NAND闪存和3D NAND技术已经取得了显著进步，而未来的新材料、异质集成和存算一体等技术将继续推动闪存介质的发展，敬请期待！

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